Обеспечение экономичности режимов работы электрических систем отно-сится к задачам управления режимами.

Обеспечить экономичность режима означает обеспечить качественное и надежное электроснабжение потребителей при наименьших затратах материальных ресурсов.

Экономичность режима достигаетсяза счет

наиболее экономичной работы структурных элементов;

наилучшего распределения нагрузок между источниками питания;

выбором наилучшей конфигурации сети;

выбором наилучшего состава оборудования.

Задача обеспечения экономичности режима относится к оптимизационным задачам. С математической точки зрения задача сводится к определению минимального значения целевой функции, которая выступает в качестве критерия оптимальности.

На параметры, входящие в целевую функцию, накладываются ограничения. Например, при распределении мощности между ЭС, очевидно, что мощность станции может изменяться в пределах:

.

На практике решаются задачи оптимизации с локальными критериями целевой функции. К ним относятся:

оптимальное распределение активной мощности между электростанциями по критерию минимума затрат на производство электроэнергии;

оптимальное распределение мощности в замкнутых сетях по критерию минимума потерь мощности;

экономичный режим работы трансформаторов по критерию минимума потерь мощности и другие.

Оптимальное распределение активной мощности между тепловыми электростанциями

Естественное распределение активной мощности между тепловыми электростанциями происходит обратно пропорционально коэффициентам статизма регуляторов скорости.

Такое распределение не отвечает требованию экономичности режима. В качестве критерия оптимальности принят минимум суммарного расхода топлива в энергосистеме при соблюдении баланса мощности.

Для каждой ЭС и отдельного генератора существует расходная характеристика. Она определяет зависимость расхода топлива от мощности нагрузки. Рассмотрим две ЭС. Расходные характеристики представим упрощенными (см. рис. 1).

электроснабжение мощность трансформатор

Рисунок 1 - Перераспределение мощности между тепловыми электростанциями

Будем считать, что расходная характеристика первой ЭС более крутая, т.е. эта ЭС увеличивает расход топлива на единицу роста нагрузки больше, чем вторая ЭС. Но при одинаковой мощности нагрузки первая ЭС расходует меньше топлива, чем вторая.

В режиме 1 первая электростанция загружена мощностью . При этом расход топлива составляет . У второй электростанции при мощности загрузки расход топлива равен . Суммарная нагрузка в системе и расход топлива соответственно равны:

Перераспределим нагрузку между электростанциями следующим образом. На первой ЭС уменьшим нагрузку на величину . Расход топлива на этой ЭС снизится на и становится равным . Вторая ЭС принимает на себя нагрузку и увеличивае расход топлива на . Во втором режиме ее расход составляет .

Баланс мощности в системе не изменился а общий расход топлива снизился на величину

Отношение является важным технико-экономическим показателем ЭС. Предел

называется относительным приростом расхода топлива. Электростанция, которая имеет меньшее значения величины е, меньше увеличивает расход топлива при росте нагрузки. Эту станцию следует загружать в первую очередь.

Наименьший расход топлива в энергосистеме или оптимальное распределение нагрузки будет при равенстве относительного прироста расхода топлива на всех электростанциях:

Перераспределение нагрузок по этому условию выполняется путем изменения уставок АРС (автоматические регуляторы скорости).

Оптимальное распределение мощности в замкнутых сетях

Естественное распределение мощности в замкнутой сети определяется сопряженными комплексами сопротивлений ее участков. Это распределение не соответствует наименьшим потерям. Выясним, при каком распределении мощности в замкнутой сети потери активной мощности будут минимальными. Такое распределение мощности называется экономическим или оптимальным.

Рассмотрим кольцевую сеть (рис. 2).

Рисунок 2 - Замкнутый участок сети

При мощностях участков, равных , потери активной мощности определяются по формуле:

. (1)

Выразим мощности второго и третьего участков через мощность первого участка и мощности нагрузок. Величины активной и реактивной мощности будут равны:

на втором участке

на третьем участке

Подставим эти значения мощностей в выражение (1):

В этом выражении неизвестными величинами являются активная и реактивная мощности первого головного участка. Для того, чтобы определить при каких значениях этих мощностей потери активной мощности в сети будут минимальными, нужно взять частные производные по P₁ и Q₁ и приравнять их к нулю.

Производная по P₁

и производная по Q₁

Из полученных выражений находим величины активной и реактивной мощности первого участка. Так как они соответствуют минимальным потерям мощности в сети, то обозначим их и .

Таким образом, потери активной мощности будут наименьшими, если распределение мощностей на участках будет выполняться только по активным сопротивлениям. Такое распределение соответствует частному случаю расчета замкнутой сети - однородной сети. То есть, дополнительные потери в замкнутых сетях вызывает их неоднородность. Неоднородность сети приводит к тому, что в замкнутом контуре дополнительно протекает уравнительная мощность. Величина этой мощности равна разности мощностей участков при естественном и экономическом распределении:

Приблизить естественное распределение мощности к экономическому можно за счет:

принудительного перераспределения мощности;

настройки сети;

размыкания пути протекания уравнительного тока, т.е. размыкания контуров сети.

Принудительное перераспределение мощности. Мероприятие выполняется за счет включения дополнительной ЭДС в ветви сети. Для этого используется линейный регулятор (вольтодобавочный трансформатор).

Дополнительная ЭДС Е_ур создает компенсирующий уравнительный ток

.

Величина этого уравнительного тока рассчитывается следующим образом:

где R_конт, Х_конт - суммарное активное и реактивное сопротивления контура соответственно.

Действительная составляющая дополнительной ЭДС Е_а совпадает по фазе с напряжением сети в точке подключения линейного регулятора. Мнимая составляющая Е_р сдвинута на 90⁰ относительно напряжения сети. ЭДС Е_а называется продольной ЭДС, а ЭДС Е_р - поперечной ЭДС.

Проанализируем, какая из ЭДС в большей степени влияет на перераспределение активной и реактивной мощностей. У воздушных ЛЭП с большими сечениями Х>>R. Поэтому можно записать, что уравнительный ток равен

Это уравнение показывает, что введение в замкнутый контур продольной ЭДС приводит в основном к перераспределению реактивной мощности. А введение поперечной ЭДС - к перераспределению активной мощности.

Изменение режима работы сети требует и изменения (регулирования) величины ЭДС. Поэтому целесообразность установки линейного регулятора следует подтверждать технико-экономическими расчетами. Опыт эксплуатации показывает, что установка линейного регулятора целесообразна при небольшой неоднородности сети и больших мощностях, протекающих в ней.

В замкнутых сетях двух разных напряжений (см. рис. 3) для улучшения распределения мощностей можно использовать установку разных ответвлений на трансформаторах, т.е. разных коэффициентов трансформации.

Это соответствует введению в замкнутый контур дополнительной продольной ЭДС. В этом случае возможности изменения ЭДС ограничены, так как изменение коэффициентов трансформации трансформаторов производится, в первую очередь, для регулирования напряжения.

Рисунок 3 - Замкнутая сеть разных номинальных напряжений

Настройка сети. При настройке сети ее неоднородные участки приводятся к однородным за счет компенсации индуктивных сопротивлений с помощью устройства продольной компенсации (УПК). Рассмотрим замкнутую сеть, состоящую из двух неоднородных ЛЭП (рис. 4). Так как

,

то распределение мощности не будет экономическим. По ЛЭП с меньшим сечением провода будет протекать большая мощность, чем соответствующая экономическая.

Рисунок 4 - Замкнутый участок сети

А по ЛЭП с большим сечением будет протекать мощность меньшая, чем экономическая. Потери мощности в такой сети будет больше, чем в однородной сети.

Выполним настройку сети. Предположим, что сечение ЛЕП₁ больше сечения ЛЕП₂. В этом случае

Для получения однородной сети в рассечку ЛЕП₁ нужно включить устройство УПК с сопротивлением X_упк. Величина этого сопротивления определяется из уравнения:

Количество конденсаторов устройства УПК, включенных последовательно и параллельно, определяется также как и при регулировании напряжения (см. лекцию 20).

Нужно учитывать, что количество конденсаторов УПК соответствует току, который протекает в ЛЕП₁ в нормальном режиме работы. В аварийном режиме после отключения ЛЕП₂ через устройство УПК будет протекать большая мощность, чем в нормальном режиме (полная мощность нагрузки). Конденсаторы УПК будут перегружены. А это недопустимо. Поэтому устройство УПК следует шунтировать в послеаварийном режиме. Отключение ЛЕП₂ и шунтирование устройства УПК приведут к значительному увеличению активного и особенно реактивного сопротивлений. Это приведет к увеличению потери напряжения в сети. Напряжение в конце ЛЕП₁ может снизиться до недопустимой величины. При аварийном отключении ЛЕП₁ в работе останется ЛЕП₂. Так как ее сечение меньше, чем сечение ЛЕП₁ (R и X больше, чем у ЛЭП₁), то потеря напряжения будет еще большей. Напряжение в конце ЛЭП будет еще ниже.

Расчет УПК по полной мощности нагрузки сети увеличивает затраты на устройство, но может не обеспечить нужный уровень напряжения в сети.

Кроме того, при к.з. на ЛЭП₁ на устройство УПК ложится большое напряжение. Поэтому для защиты УПК применяют быстродействующие разрядники.

Из вышесказанного следует вывод, что целесообразность установки УПК следует подтвердить технико-экономическими расчетами. Опыт эксплуатации показывает, что использование УПК экономически выгодно для сетей одного напряжения при небольших мощностях нагрузки сети.

Размыкание пути протекания уравнительного тока, т.е. размыкание контуров сети. В распределительных сетях 35-110 кВ возможно размыкание контуров. Однако эта мера целесообразна лишь тогда, когда точки раздела мощностей при естественном и экономическом распределении не совпадают. Кроме того, потребители подстанций, питающихся от сети, должны иметь однотипные графики нагрузки. В противном случае точка экономического потокораздела мощности будет перемещаться по сети в зависимости от ее нагрузки.

Целесообразность размыкания подтверждается сравнением потерь мощ-ности во всех элементах замкнутого участка сети до и после размыкания:

.

Размыкание выполняется путем отключения выключателя в перемычке распределительного устройства ПС с точкой экономического потокораздела. При размыкании сети необходимо рассмотреть два случая:

сохранение экономического распределения мощности в ЛЭП сети и неравномерную загрузку трансформаторов на ПС с точкой раздела мощности;

сохранение равномерной загрузки трансформаторов ПС с точкой раздела мощности и нарушение экономического распределения мощности в ЛЭП сети.

Поскольку при размыкании сети изменяется загрузка только трансфор-маторов на ПС с точкой экономического раздела мощности, то необходимо рассчитать потери мощности в них по формулам

с учетом изменения мощности нагрузки () каждого трансформатора.

В первом случае мощность нагрузки каждого из трансформаторов ПС с точкой экономического раздела мощности пропорциональна отношению мощностей ЛЭП, примыкающих к этой ПС.

При этом мощность нагрузки может распределиться таким образом, что один из трансформаторов будет перегружен, а другой - недогружен. Поэтому перед расчетом потерь мощности следует рассчитать коэффициенты загрузки трансформаторов по формулам:

Если коэффициент загрузки одного из трансформаторов превышает 1, то размыкание сети с сохранением экономического распределения мощности в ЛЭП нецелесообразно.

Во втором случае мощность нагрузки каждого трансформатора будет равна половине от этой ПС, т.е. потери мощности в трансформаторах этой ПС будут такими же, что и при работе сети в замкнутом состоянии.

Потери мощности в ЛЭП в обоих случаях рассчитываются по алгоритму расчета при заданном напряжении на ИП (см. лекцию 9).

Экономичный режим работы трансформаторов

Установка на подстанции двух одинаковых трансформаторов обеспечивает минимально необходимую надежность электроснабжения потребителей I категории и является экономически наиболее целесообразным решением. В дальнейшем эффективность функционирования сети зависит, в частности, от загрузки трансформаторов ПС. В результате развития региона нагрузка в узлах может возрастать. При этом значительно увеличиваются нагрузочные потери, и загрузка трансформаторов может превысить экономически целесообразную.

С другой стороны, если к сети подключается новая ПС, то ее трансформаторы могут оказаться недогруженными. Это также нецелесообразно, так как потери холостого хода оказываются непропорционально большими по отношению к нагрузке, и к.п.д. трансформатора падает.

Требуемая номинальная мощность трансформаторов () равняется

где полная мощность узла нагрузки в режиме максимальных нагрузок.

Определив величину , выбирают ближайшее большее стандартное значение номинальной мощности трансформатора ().

Она должна удовлетворять экономическим и эксплуатационным условиям, которые проверяются по коэффициентам загрузки трансформаторов в нормальном и послеаварийном режимах (при отключении одного трансформатора). Коэф-фициенты загрузки в нормальном и послеаварийном режимах рассчитываются по формулам:

где количество трансформаторов, установленных на ПС.

Коэффициент загрузки в нормальном режиме должен находиться в экономически целесообразных пределах

,

а в послеаварийном режиме не должен превышать технически допустимого значения

К_ЗАВ 1.5. (2)

Это соотношение следует из того, что трансформатор, как и любая электрическая машина, обладает определенной перегрузочной способностью.

Ее можно использовать в послеаварийном режиме, когда один из трансформаторов аварийно или планово отключается, а второй берет на себя нагрузку всего узла.

Это позволяет уменьшить мощность трансформаторов, устанавливаемых на ПС. Вместе с тем, перегрузочная способность трансформаторов не беспредельна.

Соотношение (2), установленное в Правилах устройства электроустанок, позволяет сохранить срок службы изоляции трансформатора в пределах нормативного.

Экономически целесообразный режим работы трансформаторов на ПС относиться к эффективным мероприятиям снижения потерь мощности. Он определяется нагрузкой ПС и параметрами трансформаторов.

В весенне-летний период снижения нагрузки трансформаторы ПС оказываются длительное время недогруженными. Это вызывает в них относительное увеличение потерь электроэнергии (за счет потерь холостого хода).

В таких случаях может оказаться целесообразным отключение части трансформаторов.

При этом при наличии потребителей I категории надежности на выключателях на стороне высокого напряжения этих трансформаторов должна быть установлена автоматика АВР.

Условием отключения части трансформаторов является равенство потерь мощности в и () включенных трансформаторов.

Для одинаковых двухобмоточных трансформаторов значение экономической мощности определяется по формуле:

Если мощность нагрузки в минимальном режиме меньше экономической (), то один из включенных трансформаторов следует отключить. При этом суммарные потери в трансформаторах уменьшаются.