12.4. Выбор варианта развития электрической сети с учетом надежности электроснабжения и требований экологии

Принципиально известны два подхода к учету надежности электроснабже­ния при проектировании развития электрической сети: нормативный и экономи­ческий. При нормативном подходе опираются на требования к обеспечению на­дежности электроснабжения, излаженные в ПУЭ [12]. Хотя в этом нормативном документе требования изложены применительно к электроприемникам, их можно распространить и на обобщенных потребителей, представляющих собой некото­рую совокупность электроприемников [71]. Например, в качестве обобщенного потребителя может выступать нагрузка, подключенная к шинам 6—10 кВ пони­жающей подстанции (110—35)/6—10 кВ. В соответствии с ПУЭ электроприемни­ки разделяются на три категории. К наиболее ответственным электроприемникам I категории отнесены такие, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, повреждение дорогостоящего оборудова­ния, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процес­са, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хо­зяйства. Электроприемники I категории должны иметь питание от двух независи­мых взаимно резервирующих источников питания. При этом перерыв их электро­снабжения может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания от другого источника. Из состава электроприемников I категории выделена особая группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы ля жизни людей, взрывов, пожаров и повреждения дорогостоящего основного оборудования. Для таких электроприемников должно предусматриваться допол­нительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника, в качестве которого могут быть использованы местные электростанции, аккуму­ляторные батареи и т. п.

К электроприемникам II категории отнесены те, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям ра­бочих, механизмов, нарушению нормальной деятельности значительного количе­ства городских и сельских жителей. Электроснабжение этих электроприемников рекомендуется обеспечивать от двух независимых взаимно резервирующих ис­точников питания. При этом для них допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями оперативного персонала. Питание электроприемников данной категории допускается по одной воздушной линии, либо по одной кабельной линии с двумя и более кабелями, ли­бо через один трансформатор, если обеспечена возможность проведения аварий­ного ремонта в ней или замены повредившегося трансформатора из централизо­ванного резерва за время не более 1 суток.

Остальные электроприемники отнесены к Ш категории. Их электроснабжение может выполняться от одного источника питания, если время для ремонта или замены поврежденного элемента системы электроснабжения не превышает 1 суток.

Особенности применения такого подхода учета надежности при развитии электрической сети заключаются в следующем. Во-первых, задаваемые требова­ния к надежности могут быть обеспечены различными вариантами. Следователь­но, в любых случаях должна решаться задача сравнительной экономической эф­фективности различных вариантов развития сети с соблюдением требований обеспечения заданной степени надежности. Во-вторых, в большинстве случаев обобщенный потребитель содержит электроприемники, относящиеся к различным категориям и требующие различные степени надежности электроснабжения. В этих условиях приходится ориентироваться на более ответственных потребите­лей, а менее ответственные потребители автоматически получают повышенную степень надежности по сравнению с требуемой по ПУЭ, что экономически не ра­ционально. В третьих, требования ПУЭ были сформулированы применительно к централизованной экономике, исходя из глобальных народнохозяйственных ин­тересов. Разумеется, в рыночных экономических условиях эти требования долж­ны быть сохранены применительно, по крайней мере, к случаям перерывов элек­троснабжения, которые приводят к опасности для жизни людей, взрывов, пожаров '• возможно, к другим неблагоприятным последствиям.

Других случаях целесообразно применять экономический подход, использующий понятие экономического ущерба из-за недоотпуска электроэнергии. При централизованной экономике для количественного учета целесообразности резервирования питания потребителей применялось понятие народнохозяйственного ущерба от перерывов электроснабжения. При рыночной экономике это понятие должно претерпеть некоторые изменения. Действительно, в этих условиях на пер­вый план выдвигаются экономические интересы отдельных организации: электроснабжающей (поставщика электроэнергии) и потребляющей электроэнергию. Применительно к электроснабжающей организации экономический ущерб будет проявляться из-за недополучения прибыли по причине недоотпуска электроэнер­гии вследствие перерывов электроснабжения, штрафных санкций потребителей за недоотпуск электроэнергии, дополнительных затрат на проведение аварийного ремонта повредившихся элементов сети и др. [66]. При этом формула (12.19) чис­того дисконтированного дохода для i-гo варианта развития сети примет вид:

(12.30)

где Д_{t нi} - плата потребителя электроснабжающей организации за заявленную им

степень надежности; Уt — ущерб от перерывов электроснабжения.

Тем не менее, в промышленно развитых странах с рыночной экономикой считается приемлемой оценка экономического ущерба, от перерывов электро­снабжения, нанесенного обществу.

Определение ущерба опирается на значение удельного ущерба и вероятно­стной характеристики надежности системы передачи и распределения электро­энергии. По данным литературных источников истинные удельные ущербы в промышленности и торговле в зависимости от страны и условий в секторе по­требления составляют на один отказ в питании по мощности от 0,2 до 10 долл/кВт, по электроэнергии 3—50 долл/(кВт-ч) при продолжительности аварий­ного перерыва питания до 1 ч и 0,5—5,0 долл/(кВт-ч) при времени перерыва 1 су­тки. В сельском хозяйстве — ориентировочно 0,55 долл/(кВт-ч).

В [6] для ориентировочной сравнительной оценки вариантов развития сети при полном перерыве электроснабжения в зависимости от структуры нагрузки ре­комендуются следующие годовые удельные ущербы (в ценах 1985 года): от ава­рийных ограничений α = (5,7—7,6) тыс. руб/(кВттод); от плановых ограничений электроснабжения β = (4,4—7,5) тыс. руб/(кВтгод).

В случае использования для сравнения вариантов затратного критерия (12.21) с учетом ущерба получим:

(12.31)

Статический критерий (12.25) приведенных затрат приобретает вид:

Математическое ожидание годового ущерба от недоотпуска энергии потре­бителям

с кладывается из двух составляющих:

где У_В – ущерб от вынужденного простоя в результате, аварий за время восстаношения питания потребителя после аварии; У„ — то же за время проведения плановых ремонтов.

Составляющие ущерба определяются соответственно так:

(12.34)

где К_В, К_П - коэффициенты вынужденного простоя при аварии или плановом ре­монте, отн.ед.; Р_нб — наибольшая нагрузка потребителя, кВт; ε_в, ε_п — коэффици­енты ограничений мощности потребителя при аварии или плановом ремонте, отн.ед.; α,β - удельные ущербы от аварийных и плановых ограничений электро­снабжения, тыс. руб/(кВттод).

К оэффициенты ограничений мощности

где Р_{в откл} и Р_{п еткл} — отключаемая часть нагрузки при вынужденных режимах на время устранения аварийных повреждений или плановых ремонтов элементов се­ти, кВт.

При полном перерыве электроснабжения ε_в = 1 и ε_п = 1.

Коэффициенты вынужденного и планового простоя определяются по формулам:

(12.35)

(12.36)

где ω_В — параметр потока отказов оборудования, отказ/год; ω_П — средняя частота плановых простоев элементов электрических сетей, простой/год; Т_В, Т_П — время восстановления повреждения при аварийном (вынужденном) или плановом ре­монте элементов сети, год/отказ, год/простой.

Параметры ω_В, ω_П, Т_В, Т_П, К_В, К_П при проектировании принимаются как сред­нестатистические (табл. 12.4 и 12.5) в зависимости от вида оборудования и класса номинального напряжения. Для линий эти показатели пересчитываются примени­тельно к заданной длине.

Использование вышеуказанных формул определяется структурной схемой электроснабжения потребителей. При проектировании для расчетов ущерба от перерывов электроснабжения может применяться упрощенная структурная схема, состоящая только из таких элементов, как линии электропередачи, трансформато­ры и выключатели.

При последовательном соединении n элементов (рис. 12.3, а)

(12.37)

(12.38)

где i= 1,2,3,..., n — порядковый номер элементов сети в последовательной цепочке.

При определении К_П полагается, что плановые ремонты элементов, вклю­ченных в последовательную цепь, выполняются одновременно.

П оскольку отказ любого элемента сети в последовательной цепочке приво­дит к полному отключению потребителя, то в этом случае

При параллельном соединении элементов сети (рис. 12.3, б)

Здесь первое слагаемое характеризует наложение отказа одного элемента на отказ другого элемента, а второе слагаемое — наложение отказа одного элемента на плановый ремонт другого элемента. Данная формула является приближенной и дает завышенный результат, так как полагает, что отказы обоих элементов и отказ одного из элементов совпадает во времени начала планового ремонта другого элемента на самом же деле такие совпадения происходят крайне редко. Тем не менее получаемая точность вычисления К_В оказывается достаточной для проект­ных сравнительных расчетов [71].

При отсутствии ограничений пропускной способности в параллельных це­пях, т. е. когда допустимая мощность каждой из цепей больше или равна наи­большей мощности нагрузки,

В противном случае учитывают ограничения потребителей и соответст­вующий ущерб вычисляется по формуле:

При смешанном соединении элементов сети (параллельно-последовательном) структурная схема питания потребителей и ее надежность оцениваются на основе совместного рассмотрения параллельно-последовательных цепей (рис. 12.4).

Таблица 12.4

Показатели надежности линий электропередачи

Примечание. Параметр ω_В приведен на 100 км, остальные — на одну линию. В числителе дроби — для отключения одной цепи, в знаменателе — двух цепей. Параметры ω_В и Т_В приведены для устойчивых отказов.

Таблица 12.5

Показатели надежности элементов подстанций

Примечание, сведения о выключателях приведены для воздушных выключателей.

На рис. 12.4 предполагалось, что параллельные цепи взаимно резервируют друг друга. Поэтому в этих цепях К_П1 = К_П2 = К_П3 = 0 и ε_П = 0, а коэффициенты вынужденного простоя К_ВБ = К_В1 –К_В2, К_В7 = К_В3*К_В4 и К_В = К_ВБ + К_В7 + К_В5.

Отметим особенности составления структурных схем для двухцепных ли­ний электропередачи. Здесь могут иметь место аварии с выходом из строя обеих цепей одновременно (K_В12), взаимное наложение аварий одной цепи на аварию на второй цепи (2К_В1-К_В2), наложение аварии первой цепи на интервал времени пла­нового ремонта второй цепи (К_В1К_П2) и наоборот (K_В2K_П1). Могут также иметь ме­сто ограничения потребителей по пропускной способности каждой из цепей при плановом ремонте второй (К_П1, ε_П1 и К_П2,ε_П2). Структурная схема двухцепной ли­нии с точки зрения надежности электроснабжения для случая, когда при проведе­нии планового ремонта одной из цепей ограничение потребителей отсутствует (К_П1 = К_П2 = 0), представлена на рис. 12.5.

Здесь: К_В3 = К_В1-К_В2, К_В = К_В12 + К_В3. Заметим, что при одинаковых цепях двухцепной линии К_В1 = К_В2.

При оценке показателей надежности электроснабжения составляются струк­турные схемы типа рис. 12.3—12.5 для каждого потребителя и по ним определяется математическое ожидание ущерба от недоотпуска электроэнергии каждому из потре­бителей. Сумма ущербов отдельных потребителей составит общий ущерб.

При составлении структурных схем для оценки надежности электроснабже­ния отдельных узлов нагрузки источники питания объединяются в одну точку, и из этой точки прослеживаются все возможные пути подачи электроэнергии рас­сматриваемому потребителю. Может оказаться, что на некотором участке струк­турной схемы образуется множество параллельных ветвей (3, 4 и более), взаимно резервирующих друг друга на 100 %. Отключения любого элемента сети на этом Участке не приводят к ограничению мощности потребителя. По этой причине та­кого рода участки в структурной схеме можно не рассматривать.

Рис.. 12.3. Соединение элементов: а — последовательное 6 — параллельное

Рис. 12.4. Параллельно-последовательное соединение элементов: а — исходная схема; б, в — ее эквивалентные аналоги

Для учета фактора экологии при сравнительной эффективности различных вариантов развития систем передачи и распределения электроэнергии известны различные подходы [24]. Один из простых приемов количественного учета экологического воздействия _{ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ} в применении эквивалентных километров в зависимости от условий прохождения трассы линии. Так, для усредненных условий Республики Беларусь разработана искусственная шкала, позволяющая переводить реальную длину линии в эквивалентную (табл.12.6). Капитальные затраты в линию с учетом условий прохождения трассы определяются по формуле:

где К₀ — стоимость 1 км линии в редконаселенной местности; L — реальная длина линии; L_э — коэффициент перевода реальной длины в эквивалентную, прини­маемый по табл. 12.6.

Рис. 12.5. Структурная схема двухцепной линии электропередачи а — исходная схема; б, в — ее аналоги

Из табл. 12.6 видно, что линии, проходящие по наиболее ценным местам, оцениваются выше. Так, стоимость линии на территории города с населением свыше 500 тыс. человек должна оцениваться в 8—10 раз выше, чем линия в ред­конаселенной местности.

Таблица 12.6

Искусственная шкала для оценки протяженности линий электропередачи в зависимости от условий прохождения трассы