Схемы выдачи мощности электростанций - Топология схем

На заблаговременно принимаемые решения существенно влияют случайные конъюнктурные факторы. Локальные оптимальные решения (12) могут оказаться не согласованными с оптимизацией электрической сети в целом. Этого можно избежать при условии разработки общих технических принципов построения сети на перспективу. Стремление сохранить заранее принятые решения - объективная необходимость. Показательна система Grid в Великобритании. Принципы ее построения заложены [40, 98] в 30- х годах: центры производства и потребления электроэнергии должны совпадать или, по крайней мере, прилегать друг к другу, так называемый принцип «распределенной генераторной мощности» [99]; топология сети - решетка с чередующимися питающими и нагрузочными узлами. В 30—40-х годах «решетка» была создана на напряжении 132 кВ. В дальнейшем практически по тем же направлениям такая решетка была заполнена сначала на 275 кВ, а затем на 400 кВ. Таким образом, на первых этапах формирования энергосистемы была определена ее исходная структура, которой придерживались в течение последующих почти 50 лет. Преимущества такого подхода - стабильность структуры и параметров сетей, унификация и стандартизация их элементов, удобство планирования развития энергосистем.  Например, для фактически детерминированной структуры энергосистемы Великобритании при этом были получены устойчивые соотношения между плотностью нагрузки и мощностью КЗ в сетях с одной стороны и предпочтительным номинальным напряжением сети с другой [99]. Подобные разработки велись и в ФРГ [100].
При обосновании конфигурации сети во внимание принимают ее отличительные топологические признаки, именуемыми типовыми структурами. Их выявление, описание, классификация и технико-экономический анализ позволяют формулировать принципы оптимального построения структуры сетей. Результаты таких исследований для сетей 110-330 кВ, выполняющих распределительные функции, приведены в [36]. В [101] аналогичный подход продемонстрирован для электроснабжения городов. Так, для крупных городов создают кольцевую магистральную сеть 220 кВ и выше. Основной принцип построения распределительной сети 6- 10 кВ для электроприемников первой категории - двухлучевая схема с двусторонним питанием, для электроприемников второй категории - петлевая схема, третьей категории - сочетание петлевой схемы для сети 6-10 кВ и радиальных нерезервируемых линий 0,4 кВ. Подобные [36] исследования велись за рубежом с акцентом на выявление типовых структур: «колос», «веретено», «решетка», «лепестки маргаритки», «переплетеная сеть» - вот перечень их названий во Франции [40, 102].
При выявлении предпочтительных структур целесообразно использовать предысторию развития сети, что сокращает зону поиска оптимальных решений до обозримых пределов. Для этого на базе ТЭО к сооружению и проектов статистическому анализу подвергнуты схемы присоединения 28 крупных электростанций суммарной установленной мощности свыше 100 млн. кВт, размещенных на территории СССР, а также схемы развития сетей 110-500 кВ одной крупной региональной энергосистемы. Анализ показал, что любая сеть представляет собой комбинацию простейших топологических фрагментов. Принцип их классификации, как и в [36], опирался на выделении в схемах присоединения источников питания: при напряжении 500-750 кВ - шин 500-750 кВ электростанций; при 110-330 кВ - шин 110-330 кВ электростанций, а также подстанций 220/110-750/330 кВ. Кроме того, в схемах учитывалось число питающих и нагрузочных узлов, их взаимное расположение, количество присоединений на узел и т. д.
При увеличении номинального напряжения сети преимущественное применение имели кольцевые конфигурации: 34, 42, 58 и 56% общего числа типовых элементов топологии схем присоединения при напряжении соответственно 220, 330, 500 и 750 кВ. Независимо от напряжения выдачи мощности наиболее распространена трехузловая («треугольная») ячейка. Например, при 500 кВ частота ее применения составляет 70% общего числа выявленных элементарных кольцевых структур. В свою очередь в 60% случаев ячейка сформирована по типу «электростанция - две подстанции» в элементарном контуре, в 40% - «две электростанции - подстанция». Значительно реже в схемах использованы другие кольцевые структуры: «электростанция - три и более подстанций»; «две электростанции, объединенные непосредственной связью,- две и более подстанций»; структура с чередованием питающих и нагрузочных узлов. Обычно в элементарной ячейке не более трех-четырех подстанций, а между электростанциями - не более двух.
Топология схем при 110-330 кВ не столь разнообразна. Преимущественные решения находились в области радиальных или радиально-узловых структур: радиальные конфигурации с односторонним (рис. 3,2, а) и двусторонним (рис. 3.2, б-г) питанием с подключением подстанций по двум линиям; радиально-узловые конфигурации (рис. 3.2, д-ж), в которых хотя бы один нагрузочный узел подключен к сети более чем по двум линиям. По схемам присоединения в 66, 58, 42 и 44% случаев при напряжении соответственно 220, 330, 500 и 750 кВ использованы радиальные и радиально-узловые конфигурации.
Статистические данные по структуре схем источников питания сетей напряжением ниже 500 кВ обобщены на уровне рассматриваемой региональной энергосистемы. При этом отмечен рост числа случаев применения радиальных или радиальноузловых структур. В табл. 3.7 приведена типичная динамика топологии сети 110 кВ сетевого района за 15 лет, разделенных на три этапа по пять лет. Топология сети 220 кВ этой системы преимущественно радиально-узловая, о чем, в частности, свидетельствует наличие значительного числа подстанций 220 кВ, подключенных к сети более чем по двум линиям: 2 - по одной, 41 - по двум, 8 - по трем, 25 - по четырем, 24% - по пяти-восьми линиям.  Для иллюстрации реальной топологии схем присоединения на рис. 3.3 представлено поэтапное развитие электростанции №2 в системе А (условный номер и наименование), а на рис. 3.4 сети в виде заполнения идеализированной сетки в системе Б. Каждый этап на рис. 3.3 соответствует вводу одного блока электростанции №2, а на рис. 3.4 - одинаковым промежуткам времени. В первом случае охватываемый временной уровень составил 9 лет, во втором - 40. Очередность развития пронумерована непосредственно на рис. 3.3 и 3.4.     Электропередачи более высокого класса напряжения выделены более жирными линиями. Системы номинальных напряжений сети в примерах различные, сеть высшего напряжения основная. Как видно из рис. 3.3 и 3.4, регионы электроснабжения по мере развития заполняются сетью в виде «сеточной структуры» из комбинации отмеченных выше типовых топологических элементов.

Таблица 3.7. Эволюция топологии сети

* Сокращение вызвано демонтажем отдельных участков сети 110 кВ.

Представляется, что оптимизация структуры схем присоединения невозможна без построения соответствующей математической модели, упоминавшейся в § 3.3,- детальная исследовательская математическая модель схемы присоединения с идеализацией сети на переменном токе и одним принципиальным ограничением: на вторичной стороне подстанций напряжение не ниже 1,05 и 1,0 номинального в нормальном и установившихся послеаварийных (η-1) режимах. Топологический блок модели основывался на закономерностях, выявленных в реальной структуре схем.  В частности, учитывались преимущественно типовые элементы топологии и их комбинации. Проведенный вычислительный эксперимент и обобщение его результатов показали, что в основных сетях при загрузках отдельных направлений выдачи мощности на уровне линии соответствующего класса напряжения и выше предпочтительные технико-экономические показатели схем обеспечены при радиально-узловом (в некоторых частных случаях - при радиальном) принципе их построения, если ниже Рнат, - то при кольцевом, причем независимо от радиусов распределения электроэнергии и сечения проводов линий.

Рис. 3.2. Типовые фрагменты топологии сетей

Основными влияющими факторами здесь, как и в § 3.3, являются затраты, связанные с капитальными вложениями на линии электропередачи, стоимость потерь электроэнергии в элементах схем и затраты на устройства поперечной компенсации реактивной мощности для поддержания в узлах сети требуемых уровней напряжения в различных эксплуатационных режимах. 

Рис. 3.3. Развитие схемы присоединения электростанции

При наличии в схемах ограничений на выдачу мощности в послеаварийных режимах по критерию статической устойчивости или допустимому нагреву проводов линий, увеличение числа связей электростанции с системой (для ликвидации режимных ограничений) может быть обосновано при минимальных удельных ущербах из-за ненадежности на уровне 0,14-0,25 и 0,3-0,4 руб./(кВт-ч) для районов европейской части страны и Сибири соответственно, причем независимо от значения запираемой мощности.

Рис. 3.4. Развитие схемы электрической сети (обозначения см. на рис. 3.3)

Справедливость полученных выводов подтверждена при широкой вариации исходных данных, моделирующих реальные условия развития электростанций в энергосистемах: в значительных диапазонах изменялись радиусы выдачи мощности и выдаваемая мощность; анализировалось влияние наличия или отсутствия в схемах шунтирующих связей более низкой ступени напряжения; существенно изменялся баланс реактивной мощности на сборных шинах питающих и нагрузочных узлов, для первых, в частности, от располагаемой мощности до бесконечности, и т. д. Устойчивость выводов объясняется тем, что долевое участие факторов потерь энергии и компенсации реактивной мощности в структуре целевой функции примерно одинаковое, одного порядка, при превалировании фактора компенсации реактивной мощности.  Приращения соответствующих затрат находятся примерно в квадратичной зависимости от передаваемой мощности. Поэтому целевая функция при варьировании загрузки направлений имеет ярко выраженный экстремум в узкой зоне равно экономичности сравниваемых конфигураций.
До наступления известных кризисных явлений в стране для намечаемых к сооружению электростанций средняя загрузка отдельных направлений выдачи мощности при 500 кВ, как правило, была равна или превосходила Рнат линии соответствующего класса напряжения, при 750 кВ - близка или несколько ниже Рнат. Поэтому, исходя из вышеизложенного, в первом случае при формировании схем рекомендуется радиально-узловой принцип их построения (при сохранении общей кольцевой связности схемы сети), а во втором соответственно, радиально-узлового или кольцевого. В целом при формировании топологии схем присоединения предпочтительным принципом следует считать радиально-узловой. По сравнению с кольцевым принципом он также обеспечивает более высокие пропускные способности внутрисистемных связей, о чем ранее уже отмечалось в [44]. Доказано [44], что контуры с нечетным числом ветвей не обладают свойствами заполняемости, пропускные способности отдельных элементов сети используются не полностью для передачи мощности нагрузки от генераторов. При загрузке двух ветвей до предельной пропускной способности в схеме до нуля разгружается третья ветвь. Именно поэтому альтернативные радиальные конфигурации (преобразование контура в радиальные конфигурации, т.е. выдача мощности в каждый нагрузочный узел по двум линиям или по одной линии от двух источников питания) становились предпочтительными при перетоках мощности в каждом направлении ниже Рнат линии соответствующего класса напряжения.
Для схем присоединения источников питания сетей 110-330 кВ влияние фактора компенсации реактивной мощности ослаблено: 5-15% в структуре целевой функции при 110-330 кВ соответственно. Поэтому области перехода от кольцевого к радиальному (радиально-узловому) построению схем смещаются в зону более высоких нагрузок. Например, для 220 кВ - (1,2-1,3)Рнат линии соответствующего класса напряжения и, как показал анализ фактического материала, параметры распределительных сетей 220 кВ удовлетворяют радиальному (радиально-узловому) принципу.
Переход от радиально-узловых к более простым радиальным конфигурациям достигается применением упрощенных схем коммутации подстанций. В частности, использование схем «ответвление от линии», «заход-выход с автоматической перемычкой» исключает сооружение узловых подстанций. При этом уменьшаются затраты на их РУ, снижается надежность электроснабжения потребителей, а в ряде случаев - возрастают потери энергии в линиях. Технико-экономический анализ показал, что основными факторами, влияющими на выбор предпочтительного решения, являются: межузловые расстояния в сети, нагрузка подстанций и линий, удельный ущерб потребителей из-за ненадежности схемы. Для рассматриваемой энергосистемы средневзвешенные параметры сети 220 кВ находились на уровне: длина линии 40 км, нагрузка Рл=60 МВт; нагрузка подстанции Рnс=155 МВт; суммарная установленная мощность (авто)трансформаторов подстанции Sпс=320 МВ·А. По сетевым районам 110 кВ с плотностью нагрузки от 70 до 1650 кВт/км2 эти параметры соответственно варьировались в диапазоне I=13-7 км, Рл=22-30 МВт, Pпс=34-47 МВт, Sпc=70-82 MB A. Удельный ущерб потребителей при полном погашении подстанции оценивался в 1,0-1,5 руб./кВт ч. Расчеты подтвердили, что с учетом приведенных параметров при построении сети 110 кВ системы следовало рассматривать радиальный принцип, а сети 220 кВ - радиально-узловой. Выводы устойчивы и сохранялись при значительной вариации исходных данных.
На основании изложенного представляется принципиально возможным и необходимым единообразное построение сетей, выполняющих в системах различные функции - основные, распределительные. Для достижения этого развитие сетей следует осуществлять на базе заранее выявленных детерминированных предпочтительных структур и общей архитектуры систем.  Для основных сетей, в частности, такое положение требует взаимоувязанного обоснования и выбора связей для реализации межсистемного эффекта и выдачи мощности. Так, если бы к моменту ввода электростанции №2 (рис. 3.3) межсистемная связь в зоне ее сооружения отсутствовала (рис. 3.3, этап №1, линия в нижней части фрагмента слабая, протяженная, межсистемная связь с реверсивной нагрузкой), то, исходя из перетоков активной мощности, образование кольцевых конфигураций по типу «источник питания - два нагрузочных узла» - нерациональное решение. Здесь следовало бы использовать радиальные конфигурации - выдача мощности в каждый нагрузочный узел по двум линиям. Однако межсистемная связь сооружена более чем за 20 лет до ввода первого блока электростанции №2. Тем самым при формировании ее схемы присоединения кольцевая структура оказалась предопределенной. Это типично для развития основных сетей. В приведенном примере временной интервал в образовании отдельных фрагментов сети района значительно растянут. Поэтому рациональность такого решения с учетом фактора времени не вызывает сомнений. При относительно одновременном заполнении сетями региона электроснабжения межсистемные связи желательно заранее ориентировать относительно районов сооружения электростанций с целью их использования в схемах присоединения, но не как связей взаиморезервирования между нагрузочными узлами, а как линии выдачи мощности с совмещенными функциями. Последнее привело бы к формированию основных сетей из комбинации простейших радиально-узловых детерминированных структур при сохранении в общем случае кольцевой связности схемы сети.
На основании вышеизложенного сформулируем выводы:

1. схемы присоединения, являясь одним из важнейших элементов электростанций и подстанций, формируют структуру прилегающих сетей энергосистем;
2. построение схем присоединения электростанций и других источников питания сетей энергосистем целесообразно базировать на использовании принципа предпочтительности детерминированных структур;
3. рекомендуется единый способ формирования топологии основных и распределительных сетей, в котором предпочтительными структурами являются комбинации радиально-узловых и радиальных схем при сохранении в общем случае кольцевой связности схемы сети.