Текст книги "Снижение потребления электроэнергии на собственные нужды за счет микрогенерации на цифровых подстанциях 35-500 кВ"

Василий Сташко
Снижение потребления электроэнергии на собственные нужды за счет микрогенерации на цифровых подстанциях 35-500 кВ: Учебно-методическое пособие для студентов направления 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» (квалификация (степень) «магистр») всех форм обучения

Издание сертифицировано (№ 21002) и рекомендовано к использованию «Межрегиональным центром электронных образовательных ресурсов» – http://mceor.ru/

Учебно-методическое пособие издано с использованием материалов магистерской диссертации, выполненной Павловым Андреем Сергеевичем в 2019 году.

© ООО «МЦ ЭОР», 2021

© Сташко Василий Иванович, 2021

Список принятых сокращений обозначения

ЭЭС– электроэнергетическая система

ВИЭ– возобновляемые источники энергии

ВДЭС– ветродизельная электростанция

СН– собственные нужды

ЭЭ– электрическая энергия

ТП– трансформаторная подстанция

СЭС– солнечная электростанция

АСУ– автоматизированная система управления

ПУЭ– правила устройства электроустановок

ОПУ– общеподстанционный пункт управления

УЗИП– устройство защиты от импульсных перенапряжений

СГЭ– система гарантированного электропитания

СВ– секционный выключатель

ГЗШ– главная заземляющая шина

ВРУ– вводно распределительное устройство

УТВР– устройство тиристорного ввода резерва

УЗО– устройство защитного отключения

КЗ– короткое замыкание

ЩПТ– щит постоянного тока

ЩСН– щит собственных нужд

КПД– коэффициент полезного действия

ТСН– трансформатор собственных нужд

НТП– нормы технологического проектирования

СК– синхронный компенсатор

АДЭС– автоматизированная дизельная электростанция

РМН– реле минимального напряжения

АВР– автоматический ввод резерва

Введение

Цели и задачи энергетической политики России заключаются в устойчивом обеспечении страны энергоносителями и создании надежной сырьевой базы российского топливно-энергетического комплекса, в повышении эффективности использования энергии и создании условий для перевода экономики страны на энергосберегающий путь развития. Следствием этого является необходимость совершенствования системы энергоснабжения не только промышленных предприятий, но также и предприятий аграрного сектора: создание надежных систем электроснабжения предприятий, развитие электрических сетей и электрооборудования, автоматизированных систем управления; обеспечение быстродействия и селективности релейной защиты и оперативной автоматики; автоматизации измерений и учета электроэнергии; внедрение новейшего электрооборудования. Поэтому важнейшими задачами развития систем энергоснабжения является повышение уровня проектно – конструкторских разработок, внедрение и рациональная эксплуатация высоконадежного оборудования, снижение непроизводственных расходов электроэнергии при ее передаче, распределении и потреблении.

На данный момент одной из наиболее важных задач развития отечественной энергетики в стране является реконструкция существующих электроэнергетических систем (ЭЭС). На сегодняшний день в стране существует большое количество электростанций и подстанций (ПС) выработавших свой нормативный срок службы. Важно отметить, что эксплуатация подобного морально и физически устаревшего парка оборудования приводит к ложному срабатыванию или отказу комплексов релейной защиты, возникновению и развитию аварийных ситуаций и т. д. Все это приводит к общему снижению надежности всей энергосистемы в целом.

Постоянно возрастающие требования к качеству систем электроснабжения, их надежности и экономичности, в комплексе с изменяющейся структурой и характером потребления электроэнергии современными предприятиями, а также появление и широкое внедрение устройств управления и контроля на базе современной вычислительной техники требуют своевременной реконструкции существующих сетей ЭС.

Большая часть (около 65 %) территории России находится в зоне изолированного (автономного) энергоснабжения и в основном обеспечиваются электроэнергией от дизельных электростанций, работающих на привозном топливе. На основе создания энергокомплексов на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), например, в составе ветродизельных электростанций (ВДЭС), обеспечивающих высокую долю замещения дальнепривозного дизельного топлива, может эффективно проводиться оптимизация и модернизация существующих систем энергоснабжения [1].

По существующим оценкам, технический ресурс возобновляемых источников энергии (преобладающую долю в котором имеет потенциал использования энергии солнца и энергии ветра) очень большой. Экономический потенциал ВИЭ зависит от существующих экономических условий, стоимости, наличия и качества запасов ископаемых топливноэнергетических ресурсов. Указанный потенциал меняется во времени. Возобновляемая энергетика способна внести значительный вклад в решение важнейшей проблемы энергообеспечения децентрализованных районов.

Целью данной работы является разработка мероприятий по снижение потерь электроэнергии на собственные нужды цифровой подстанции за счет собственной микрогенерации.

Для оптимизации работы СЭ, экономии топлива и технического ресурса оборудования, повышения надежности электроснабжения потребителей целесообразно вводить возобновляемые источники энергии (ВИЭ) в системы электроснабжения собственных нужд.

Для осуществления поставленной цели в диссертационной работе решается ряд задач:

– Произвести оценку потенциала возобновляемых источников энергии и возможности их использования для электроснабжения собственных нужд ПС.

– Рассмотреть основные принципы электроснабжения систем СН

– Проанализировать методы снижения потерь при работе подстанции

– Рассмотреть возможные модели электроснабжения за счет микрогенерации

– Оценить технико-экономические параметры данного проекта.

1. Анализ состояния вопроса

1.1 Анализ актуальности темы работы

Ежегодно на рынке электрической энергии (ЭЭ) наблюдается тенденция роста цен на ЭЭ, что беспокоит, как ее потребителей, так и производителей.

Цена на потребляемую электрическую энергию складывается, во-первых, из затрат, произведенных поставщиком ЭЭ на покупку средств труда, которые долговременно участвуют в процессе производства и переносят свою цену в виде ежегодных амортизационных отчислений. Данные затраты идут на: покупку оборудования, последующий ремонт и модернизацию данного оборудования; реализацию мероприятий по повышению эффективности оборудования и обеспечения энергосбережения; содержание зданий и сооружений, которые прямо или косвенно участвуют в производстве ЭЭ.

Во-вторых, не менее важной составляющей цены на электрическую энергию являются затраты на предметы труда, которые используются в процессе производства единовременно и переносят всю свою стоимость на готовую продукцию. В энергетике основную часть затрат на покупку предметов труда составляют затраты на приобретение топлива, которым в большинстве случаев является уголь, нефть, природный газ (т. е. топливо, получаемое из месторождений ископаемых природных ресурсов).

Обеспечение устойчивости работы электростанций и энергосистем является одной из важнейших задач электроэнергетики. Нарушение их устойчивости могут приводить к отключению большого числа потребителей электроэнергии, недовыпуску продукции и прочим экономическим потерям, а также повреждению оборудования как самой электростанции, так и связанных с ней сетей.

Согласно одобренной Минэнерго РФ «дорожной карте» (рисунок 1.1), уже, начато создание промышленного потенциала в области автоматизации электросетевого комплекса. В рамках реализации НТИ ведутся разработки, и уже внедряются в качестве пилотных проектов цифровые электрические станции и подстанции не только на вновь строящихся, но и на некоторых реконструируемых объектах энергетики [2].

Рисунок 1.1

Основные проектные направлений в энергетике до 2035 года

Вместе с тем, уже сегодня встает вопрос о модернизации всей существующей на данный момент отраслевой инфраструктуры, что также требует не только выделения всех необходимых средств и ресурсов для решения поставленных задач, но и компетентного подхода к их решению. Особенно важным при реализации любых долгосрочных программ, является текущее поддержание надежности различных элементов энергосистемы, при этом желательным является постепенное внедрение новых инженерно-технических решений, высокотехнологичного оборудования и систем управления.

В этой связи, целью данной научно-исследовательской работы является повышение надежности и энергетической эффективности станций и подстанций, за счет внедрения в системы управления и автоматики новых энергосберегающих технологий на основе возобновляемых источников электроэнергии. Именно эти системы, цепи управления, релейная защита и автоматика (РЗА), сигнализация, аварийное освещение и т. д., питаются постоянным током, и требуют наличия источника резервного питания для обеспечения работы оборудования в различных режимах, а также при полном отключении трансформаторной подстанции (ТП) от питающей сети.

Повысить надежность различных систем ТП, которые используют для работы как постоянный, так и переменный ток (электроснабжение собственных нужд), можно с помощью независимых источников тока, выполненных на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Применение мини-СЭС для электропитания систем и цепей постоянного тока, а также для электроснабжения собственных нужд ТП, сводится главным образом к её подсоединению к ЩПТ. Номинальное напряжение, которое выдают солнечные модули, может регулироваться в пределах 24–48 В и выше (кратность – 12), в зависимости от числа последовательно соединенных модулей. При использовании в составе мини-СЭС аккумуляторных батарей, например, это необходимо при выводе штатных батарей ТП из работы, рекомендуется использовать отечественные литий-железо-фосфатные (LiFePO4) аккумуляторы. Данный тип аккумуляторов имеет высокую надежность, большую ёмкость (220–770 А·ч) и ресурс при глубине разряда до 80 %, срок службы до 25 лет, и не нуждается в обслуживании. Оптимальным решением может быть полная замена свинцово-кислотных аккумуляторов ТП на литий-железо-фосфатные.

Проектирование систем электроснабжения на основе ВИЭ для питания различных систем ТП, требует индивидуального подхода к каждому конкретному объекту, и состоит из трех основных этапов. Сначала необходимо произвести расчет нормального и аварийного режимов работы ЩПТ. Далее, необходимо оценить устойчивость работы ЩПТ при потере основного питания, произвести выбор оборудования для независимого источника электроэнергии, установить тип и выбрать место его размещения. На третьем, заключительном этапе, определяется требуемая минимальная и максимальная мощность мини-СЭС. Это может быть необходимо в том случае, если компания-заказчик планирует сэкономить финансовые и прочие ресурсы при строительстве всей системы, наращивая её мощность поэтапно, по мере возможности и необходимости.

На сегодняшний день нормы потерь электроэнергии на собственные нужды (СН) подстанций регулируются РД 34.09.208 «Инструкция по расходу электроэнергии на собственные нужды подстанций 35-500 кВ». Исходя из этого, актуальным становится вопрос снижения потерь на собственные нужды ПС для соответствия принятым нормам и уменьшения себестоимости услуг по передаче электрической энергии. К категории собственных нужд подстанций относится потребление электроэнергии электроприемниками, обеспечивающими необходимые условия функционирования оборудования подстанций в технологическом процессе преобразования и распределения электрической энергии. На подстанциях электроэнергия расходуется на следующие цели:

– охлаждение трансформаторов и автотрансформаторов;

– обогрев, освещение и вентиляция помещений (ОПУ, ЗРУ, ОВБ, аккумуляторной, компрессорной, насосной пожаротушения, здания вспомогательных устройств синхронных компенсаторов, проходной);

– освещение территории;

– зарядно-подзарядные устройства аккумуляторных батарей;

– оперативные цепи и цепи управления (на подстанциях с переменным оперативным током);

– обогрев ячеек КРУН (с аппаратурой РЗ и автоматики, счетчиками или выключателями) и релейных шкафов наружной установки;

– обогрев приводов и баков масляных выключателей и др.

1.2 Снижение расхода электроэнергии на собственные нужды цифровой подстанции за счет собственной микрогенерации

В настоящее время, на трансформаторных подстанциях (ТП) различного напряжения, внедряются современные средства измерений и управления. Появление новых международных стандартов и развитие современных информационных технологий открывает возможности инновационных подходов к решению задач автоматизации и управления энергообъектами, позволяя создать подстанцию нового типа – цифровую подстанцию (ЦПС). ЦПС будет являться ключевым компонентом интеллектуальной сети SMART GRID.

Внедрение систем автоматизации началось с появления систем телемеханики. Устройства телемеханики позволяли собирать аналоговые и дискретные сигналы с использованием модулей УСО и измерительных преобразователей. На базе систем телемеханики развивались первые АСУ ТП электрических подстанций и электростанций. АСУ ТП позволяли не только собирать информацию, но и производить её обработку, а также представлять информацию в удобном для пользователя интерфейсе. С появлением первых микропроцессорных релейных защит информация от этих устройства также стала интегрироваться в системы АСУ ТП. Постепенно количество устройств с цифровыми интерфейсами увеличивалось (противоаварийная автоматика, системы мониторинга силового оборудования, системы мониторинга щита постоянного тока и собственных нужд и т. д.). Вся эта информация от устройств нижнего уровня интегрировалась в АСУ ТП по цифровым интерфейсам. Потребность в унификации разрозненных сигналов и стандартов передачи данных привело к разработке единого стандарта: МЭК 61850.

Если всё это современное оборудование совместимо со стандартами МЭК-61850 (IEC 61850), то такую подстанцию можно назвать цифровой [1, 2]. По мнению специалистов, модернизацию подстанций с установкой нового оборудования в соответствии с новыми стандартами, необходимо проводить комплексно.

Стандарт МЭК 61850 – это универсальный стандарт, который позволяет упорядочить разрозненные решения различных производителей устройств релейной защиты и систем передачи данных, применяемых на подстанциях. Все информационные связи на таких ЦПС выполняются цифровыми, образующими единую шину процесса. Структурная схема типовой цифровой подстанци представлена на рисунке 1.2.

Это открывает возможности быстрого прямого обмена информацией между устройствами, что в конечном счёте даёт возможность сокращения числа медных кабельных связей, и числа устройств, а также более компактного их расположения.

Рисунок 1.2

Типовая структура цифровой подстанции

Согласно программе энергосбережения и повышения энергетической эффективности ПАО «ФСК ЕЭС» на период 2015–2019 гг. [3], снижение расхода электрической энергии на собственные нужды ТП, является одним из основных механизмов реализации данной программы. Поэтому, решение задачи снижения расхода электроэнергии на ТП – является сегодня достаточно актуальным.

Вместе с тем, снизить потребление электроэнергии требуется путем применения инноваций, и с минимальными финансовыми затратами. Добиться этого, на наш взгляд, возможно за счет применения своей собственной микрогенерации на основе использования возобновляемых источников энергии.

Для электропитания собственных нужд предлагается использовать солнечную мини-электростанцию (миниСЭС) мощностью 1-15 кВт и выше, отдающую все 100 % вырабатываемой электроэнергии во внешнюю сеть. (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3

Схема питания собственных нужд от миниСЭС

1 – внешняя сеть; 2 – солнечная электростанция; 3 – двунаправленный электросчетчик; 4 – трехфазный сетевой инвертор; 5 – трансформаторная подстанция

Дополнительно требуется установка трехфазного сетевого инвертора с солнечным контроллером, соответствующего суммарной мощности массива солнечных батарей, и двунаправленного счетчика электроэнергии.

Предварительные расчеты показывают, что в зависимости от мощности миниСЭС, при затратах в 0,1–2 млн. руб., экономия электроэнергии может составить от 10-100 %. В случае, если генерация будет превышать потребление, излишки электроэнергии можно будет реализовывать по ценам ОРЭМ.

1.3 Актуальность применения систем автономного электроснабжения

Многие из существующих потребителей находятся на существенном удалении от систем централизованного электроснабжения. В настоящее время их количество, по крайней мере, не уменьшилось. Подключение таких объектов к крупным электрическим сетям на сегодняшний день является экономически нецелесообразным. Поэтому их электроснабжение, в большинстве случаев, осуществляется от автономных топливных электростанций.

Несмотря на значительные изменения в сфере энергоэффективности и повышения экологической безопасности производства электроэнергии, современная энергетика в большинстве своем все еще остается привязанной к углеводородному топливу.

Вместе с тем, одной из отличительных черт современной мировой энергетики является рост внимания к использованию нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ). Такой интерес обусловлен некоторыми преимуществами ВИЭ, в сравнении с традиционными энергоисточниками. Выделим основные достоинства ВИЭ [1, 2]:

– Неисчерпаемость ВИЭ, в отличие от традиционных источников энергии: углеводородов, ядерного топлива и т. д. Учитывая непрерывно возрастающие запросы человечества в электроэнергии, рано или поздно возникнет дефицит энергоресурсов, следовательно, необходимо предусмотреть альтернативу, в качестве которой многие видят НВИЭ.

– ВИЭ позволяют облегчить или совсем нивелировать экологические проблемы энергетики, главные из которых – парниковый эффект как следствие загрязнения атмосферы продуктами сгорания органического топлива тепловых электростанций (углекислый газ, азот, оксиды серы и т. д.), радиоактивное загрязнение окружающей среды атомными электростанциями, проблема утилизации радиоактивных отходов и др.

– Широкое распространение ВИЭ – теоретически подсчитано, что с квадратного метра земной поверхности, используя различные виды альтернативных источников энергии, можно получить, в среднем, 500 Ватт мощности [1], однако добиться такого на нынешнем уровне развития техники невозможно.

– Инфраструктурные преимущества близости ВИЭ к потребителю позволяют сократить инвестиционный цикл для большинства видов ВИЭ.

– Близость ВИЭ к потребителю также позволяет избавиться от импортозависимости, сократить или вовсе убрать затраты на топливо и его транспортировку. Несмотря на то, что данная проблема особо актуальна для стран Европы, не имеющих собственных энергоресурсов. В России также есть как целые регионы, энергетически зависимые от привозного топлива (Камчатка), так и множество удаленных от централизованного электроснабжения и месторождений энергоресурсов населенных пунктов.

– Внедрение ВИЭ может ослабить негативное влияние ценовой нестабильности углеводородов на мировую экономику, уменьшив, к примеру, влияние нефтяных гигантов на формирование курса мировой экономики.

– Использование ВИЭ как особняком, так и совместно с традиционными источниками энергии (так называемые «гибридные системы») позволяет повысить энергоэффективность и энергосбережение.

Вышеперечисленные преимущества возобновляемых источников энергии позволили возобновляемой энергетике завоевать доверие энергетиков во всем мире и прочно утвердиться на рынке.

Но помимо очевидных достоинств, ВИЭ имеют еще и недостатки, которые нельзя игнорировать и которые формируют специфику использования альтернативных источников энергии. Перечислим основные [1]:

– Стохастический (переменный) характер, особенно присущий таким видам ВИЭ, как солнечная и ветровая энергия. Изменчивость первичного энергоресурса во времени вызывает необходимость в использовании устройств-накопителей энергии, либо резервный энергоисточник (как правило, традиционный), что приводит к повышению стоимости производимой электроэнергии.

– Низкая энергетическая плотность, выражающаяся в низкой удельной мощности потока энергоносителя. Иными словами, КПД преобразования первичного энергоресурса в электроэнергию невысок, что приводит к необходимости увеличения массогабаритов преобразовательных установок, что приводит к громоздкости систем и повышению стоимости оборудования.

Повышение энергоэффективности установок на базе ВИЭ является актуальной проблемой, решаемой различными способами. Основных путей повышения энергоэффективности два [1]:

– улучшение технико-экономических показателей самого энергооборудования;

– оптимизация режимов работы и энергетического баланса систем на основе ВИЭ, с учетом изменчивости первичного энергоресурса и нагрузки.