ИТ в электроэнергетике

Работа электроэнергетической системы в целом характеризуется, прежде всего, единством процессов выработки, преобразования, распределения и потребления электроэнергии. Это единство обусловлено высокой скоростью передачи и распределения электрических процессов в системе и практически полным отсутствием возможности накопления выработанной электроэнергии, чтобы в дальнейшем выдавать ее в соответствии с возникшей необходимостью у потребителей. Выработанная электроэнергия в электроэнергетической системе должна быть потреблена практически мгновенно. Это основное и довольно обременительное свойство работы электроэнергетической системы в целом на настоящем этапе развития электроэнергетики.

Это означает, что в каждый момент времени стационарный режим работы сложной электроэнергетической системы в каждом ее узле, в каждом сечении должен удовлетворять требованию балансов активной и реактивной мощностей.

Изменение вo времени потребления электроэнергии, неизбежное вследствие переменчивости хозяйственной деятельности, смены дня и ночи, изменений погодных и климатических условий влечет за собой необходимость изменения генерации, что оказывает решающее влияние как на организацию работы электроэнергетических систем, так и на формирование их генерирующих мощностей.

Обычно для характеристики изменчивости потребления применяют термин неравномерности, который предназначен для характеристики степени изменчивости потребляемой нагрузки в течение суток (недели, сезона, года).

Суточная и недельная неравномерности потребления электроэнергии определяют относительный размер разгрузки электростанций в часы минимума нагрузки и в выходные дни, а также долю останавливаемого и пускаемого оборудования, т. е. определяют практически основную функцию управления режимами работы электростанций.

Недельная неравномерность определяет также условия проведения профилактических кратковременных ремонтов оборудования, а годовая неравномерность является определяющим фактором планирования капитальных и средних ремонтов оборудования электростанций.

Сами суточные графики нагрузки зависят от структуры потребления (состава потребителей), технологии различных производств, графиков работы промышленных предприятий, климатических условий и многих других условий (например, демонстрация по телевидению футбольных матчей чемпионата мира существенно повышает потребление электроэнергии). Неравномерность потребления электроэнергии может быть уменьшена рядом мероприятий.

Основной характеристикой неравномерности суточного графика потребления электроэнергии является степень неравномерности ±сут -отношение минимальной ночной нагрузки к суточному максимуму нагрузки. Кроме этого коэффициента применяют еще одну характеристику графика - плотность графика нагрузки Рсут, т. е. отношение средней мощности потребления за сутки к максимуму. Соответственно для суточного графика нагрузки имеем

где Рmin - минимальная мощность потребления электроэнергии в сутки; Pmax- максимальная мощность потребления в сутки; Рср - средняя мощность потребления в сутки. Так же определяются показатели графиков нагрузки за неделю и за год соответственно с заменой нижних индексов.

Геометрический смысл коэффициента а достаточно выразителен, он показывает размах колебаний мощности в системе. Очевидно, что он не может быть больше 1. Чем меньше Pmin по сравнению с Рmаx , тем меньше а. Обычно он меняется в пределах от 0,85 до 0,65.

Для генерирующих предприятий желательно повышение этого коэффициента. Это легко понять, ведь генерирующие установки должны обеспечить в момент максимума нагрузки выдачу мощности в размере Pmах, а в момент минимума графика нагрузки - снизить генерацию до Pmin.

Таким образом, коэффициент ± показывает, насколько потребуется разгрузить генераторы. Это грубая оценка, так как с изменением потребления будут меняться и потери мощности, и расходы станций на собственные нужды. Так что в действительности разгрузка должна быть несколько большей.

Очевиден смысл коэффициента плотности графика: чем ближе он к 1, тем меньше средняя мощность отличается от максимальной. Значения І всегда выше коэффициента неравномерности, так как средняя мощность всегда больше минимальной. Если суточный график нагрузки симметричен относительно среднего значения мощности, то І легко выражается через ±. Действительно, в этом случае

Выше рассматривались коэффициент неравномерности и коэффициент плотности для суточного графика нагрузки, которые могут быть применены и к другим графикам: недельным, сезонным, годовым. Но столь прозрачного и удобного смысла там они не имеют, да и при анализе таких графиков нагрузки возникают совсем другие задачи: задачи оптимизации расхода энергоресурсов с учетом запасов воды в водохранилищах, задачи пуска и останова агрегатов, задачи ремонтов и многие другие.

Плотность годового графика нагрузки обычно характеризуется продолжительностью (числом часов) использования максимальной нагрузки:

где Wгод- годовое потребление энергии.

Суточные графики нагрузки. На рис. 1.1 показаны суточные графики нагрузки отдельных групп потребителей: предприятий металлургии, химии (1); предприятий топливных отраслей (2); машиностроительных предприятий (3); коммунально-бытового сектора (4), на рис. 1.2 - суточные графики нагрузки ЕЭС в средний рабочий день декабря и средний рабочий день июля.

Рис. l.l. Суточные графики нагрузки отдельных потребителей:

1- непрерывное производство (металлургия, химия и др.); 2- топливная отрасль; 3 -машиностроение; 4 - коммунально-бытовой сектор

Недельная неравномерность потребления электроэнергии (рис.1.3). имеет характерный волнообразный вид. Точной периодичности волн, конечно, нет, это связано с тем, что кроме недельной неравномерности имеет место еще и сезонная изменчивость потребления электроэнергии. Изменяется потребление и от года к году по многим причинам.

Рис. 1.2. Суточные графики нагрузки ЕЭС: 1- средний рабочий день декабря; 2 - средний рабочий день июня в процентах собственного максимума: 3 - средний рабочий день июня в процентах максимума декабря

По сравнению с рабочим днем нагрузка субботнего дня существенно снижается. Начиная с дневной смены, часть предприятий не работает или работает с уменьшенной нагрузкой. В воскресенье потребление дополнительно снижается, сохраняется нагрузка непрерывных производств (металлургических, химических и т.п.) и часть других производств по необходимости. Минимального значения потребление достигает в ночь с воскресенья на понедельник.

Такой волнообразный процесс потребления электроэнергии должен быть обеспечен соответствующим управляемым процессом выработки: генерируемая станциями энергия должна быть равна потребляемой потребителями плюс расходы на собственные нужды электростанций и потери на передачу по сети.

Картина производства и потребления электроэнергии и соответственно работа всей электроэнергетической отрасли были бы существенно иными при существовании возможности накапливать, складировать электроэнергию. Принципиальные возможности накопления и складирования энергии, в том числе и электроэнергии, конечно, существуют. Здесь мы коснемся их в самом кратком виде.

Аккумулирование энергии в гравитационной форме осуществляется на практике с помощью гидроаккумулирующих станций - ГАЭС. Это, конечно, не накопление электроэнергии, но оно дает возможность существенно облегчить ведение режимов работы электроэнергетической системы и тем самым существенно облегчить проблемы ведения режимов тепловых и атомных электрических станций. Накопление энергии - заряд ГАЭС - производится путем подъема воды из нижнего бассейна в верхний с помощью гидронасосов. Этот режим применяют во время провала графика нагрузки. Разряд накопителя осуществляется в часы прохождения максимума нагрузки. ГАЭС тем самым является эффективной станцией, сглаживающей переменные нагрузки и позволяющей остальным станциям системы работать в режимах с меньшими изменениями мощности. Мощности ГАЭС достигают нескольких ГВт, ведутся разработки ГАЭС на весьма большие мощности.

Этот вид накопления энергии хорошо освоен в промышленных масштабах. Однако он не решает основной проблемы - проблемы накопления электроэнергии, тем самым коренное свойство электроэнергетической системы, определяющее ее режимную проблематику, остается незыблемым.

ГАЭС требует сооружения линий электропередачи, если потребители удалены от нее, а близкое расположение ГАЭС к территории с высокой плотностью населения сопровождается отчуждением значительных земельных площадей и отрицательным экологическим влиянием.

Перспективное решение проблемы накопления электроэнергии дают индуктивные сверхпроводящие накопители (СПИН), которые разрабатываются уже более 40 лет, но до сих пор так и не нашли широкого промышленного применения. КПД СПИНов может быть доведен до 85 -90%, управляемость их весьма высокая - перевод из режима заряда в режим разряда осуществляется электронными методами: ввод в действие производится за 20 - 30 миллисекунд (у ГАЭС перевод из режима заряда в режим разряда связан с управлением мощными гидроаппаратами, т.е. занимает время порядка нескольких минут).

В настоящее время существуют СПИНы с запасаемой энергией 10 Дж и мощностью порядка 10 МВт, поэтому их практическое применение для выравнивания графиков нагрузки пока не нашло места в большой энергетике.

Структура задач управления электрическими станциями в системе

Как следует из вышесказанного, задачи управления электростанциями не могут рассматриваться как не зависящие друг от друга, они связаны между собой жесткими условиями единства производства электроэнергии, т.е. задача управления каждой электрической станцией является составной частью общего управления электроэнергетической системой.

Поэтому многие оперативные функции и действия на станциях определяются диспетчерскими управлениями и только ими. Возможности самостоятельного принятия решения по отключению блоков или, наоборот, по их включению практически ограничиваются только экстраординарными обстоятельствами, ликвидацией аварийных ситуаций, связанных с угрозой для жизни или большими ущербами. Вместе с тем на станциях есть круг задач, которые решаются персоналом станции - контроль технического состояния оборудования, его техническое обслуживание, которые собственно и определяют надежность работы станций.