Расчёт режимов электрической сети

Для безопасного и эффективного управления оборудованием электрической сети, принятия экономически эффективных и выверенных решений об управлении, необходимости проведения реконструкций, нового строительства, изменений топологии или замены отдельных элементов электрической сети необходимо выполнять расчёты электрических режимов и токов короткого замыкания (ТКЗ). Расчёты электрических режимов выполняются для краткосрочного, среднесрочного и долгосрочного планирования, а также для составления перспективных, на несколько лет, планов развития.

Расчёты электрических режимов являются основой для принятия решений о необходимости развития электрической сети, позволяют определить её состояние в заданный момент времени и спланировать необходимые изменения

Для экономически обоснованного проектирования, а также в рамках консультационных услуг и поддержки Common Information Model (CIM) АО «ЭПИЦ» выполняет следующие виды аналитических работ и расчётов электрических режимов:

• расчёты установившихся электрических режимов (УР);
• расчёты предельно и максимально допустимых электрических режимов;
• расчёты токов короткого замыкания (ТКЗ);
• расчёты и анализ статической и динамической устойчивости;
• расчёты коммутационных перенапряжений;
• разработку и поддержание в актуальном состоянии расчётных моделей электрических сетей (CIM);
• оптимизацию электрических и энергетических режимов;
• структурный анализ потерь электрической энергии и мощности.

Расчёты установившихся электрических режимов выполняются для электрических сетей произвольного размера и сложности с целью определения схемы присоединения подстанции или станции к электрической сети, выбора оптимального распределения активных мощностей между генераторами электрических станций и между электрическими станциями внутри электрической сети, выбора мощностей и мест размещения компенсирующих устройств, выбора коэффициентов трансформации силовых трансформаторов с учётом уменьшения суммарных потерь активной мощности в электрических сетях, выбора оптимального состава работающего оборудования и максимально эффективного его использования, выбора главных схем электрических подстанций и станций, выбора номинальных параметров оборудования, проведения анализа допустимой токовой загрузки линий электропередачи и трансформаторов с учётом зависимости допустимого тока от температуры окружающей среды, определения перспектив развития района электрической сети или электрической сети в целом на заданной территории. Установившиеся электрические режимы характеризуются неизменными параметрами энергосистемы. Внутрисуточные изменения электропотребления и генерации рассматриваются как последовательность установившихся электрических режимов. Расчёты установившихся электрических режимов выполняются на основании математической модели электрической сети, сформированной исходя из параметров линий электропередачи, трансформаторов, автотрансформаторов, шунтирующих реакторов, генераторов и др., а также с использованием результатов контрольных измерений потокораспределения, нагрузок и уровней напряжения в электрических сетях энергосистем. Оптимальным является оптимизация и упрощение данного процесса с использованием Software for Database Modeling (SDM). Расчёты электрических режимов при краткосрочном планировании выполняются на каждый день недели в целях определения балансов электрической энергии и мощности, а также диспетчерского графика. Результаты расчётов электрических режимов определяют возможность ремонтов линий электропередачи и оборудования подстанций (исходя из токовой загрузки). При возникновении аварийных ситуаций и выполнения вынужденных ремонтов оборудования на основании расчётов электрических режимов определяют схемно-режимные мероприятия, позволяющие произвести ремонт вышедшего из строя оборудования сохранив загрузку оборудования и уровни напряжений в допустимых пределах. При долгосрочном планировании осуществляется расчёт балансов электрической энергии и мощности на периоды: год, квартал, месяц, при этом графики ремонтов линий электропередачи и оборудования подстанций должны быть рассмотрены в части допустимости режима работы электрической сети. Расчётами электрических режимов определяется работа электрической сети, обеспечивающая допустимые нагрузки и уровни напряжений. При составлении перспективных, на несколько лет, планов и балансов, а также при разработке схем и программ перспективного развития энергосистем выполняются расчёты установившихся электрических режимов с целью определения объёмов развития и создания объектов электросетевого комплекса. Перспективные схемы развития должны обеспечивать электроснабжение потребителей электроэнергией, качество которой должно соответствовать требованиям государственного стандарта, устойчивую работу электрической сети энергосистемы, а также экономичное распределение потоков активной и реактивной мощности.

Расчёты предельно и максимально допустимых электрических режимов  выполняются для разработки инструкций по ведению режима работы электрической сети. При расчёте предельно и максимально допустимых электрических режимов производится моделирование отключений линий электропередачи согласно действующим нормативам, в том числе одностороннего, с расчётом напряжения на «открытом конце», моделирование различных перегрузок, а также, при необходимости, моделирование ненормативных возмущений. Расчёты токов короткого замыкания (ТКЗ) производятся для определения главных схем электрических подстанций и станций, определения отключающей способности выключателей, термической или динамической стойкости оборудования к токам короткого замыкания, выбора и настройки устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики.

Расчёты токов короткого замыкания выполняются в порядке текущей эксплуатации для определения схем электрических соединений энергосистем, электрических сетей, электростанций и подстанций, а также настройки средств релейной защиты и автоматики для нормальных и ремонтных режимов. При этом должно обеспечиваться соответствие токов короткого замыкания значениям, допустимым для оборудования. Выбор оборудования при реконструкциях и новом строительстве по условию соответствия токам короткого замыкания осуществляется на основании результатов расчётов токов короткого замыкания, выполняемых на год ввода в эксплуатации и с перспективой на 5 лет после ввода в эксплуатацию. При проектировании развития электрической сети энергосистемы выполняются расчёты трёхфазных и однофазных токов короткого замыкания в целях:

• проверки соответствия установленной коммутационной аппаратуры в распределительных устройствах существующих объектов энергосистемы расчётным значениям токов короткого замыкания и определения объёма проведения необходимой модернизации и замены оборудования;
• использования при анализе технико-экономических показателей вариантов схемных решений с различными уровнями токов короткого замыкания;
• выявления требований к коммутационной аппаратуре и другому оборудованию распределительных устройств при конкретном проектировании, а также для оценки необходимости разработки нового оборудования;
• разработки мероприятий по ограничению токов короткого замыкания (ОТКЗ).

Расчёты и анализ динамической и статической устойчивости  выполняются при выборе главных схем электрических станций для обеспечения нормального протекания возможных аварийных и послеаварийных режимов работы оборудования станции, и прилегающей электрической сети. На основании результатов расчётов статической и динамической устойчивости определяются мероприятия для повышения устойчивости электроэнергетических систем, включая настройку средств противоаварийной автоматики, кроме того расчёты устойчивости следует проводить при разработке и уточнении требований к основному оборудованию энергосистем, релейной защиты и автоматики, а также системам регулирования по условиям устойчивости. При рассмотрении режимов работы энергосистем различают установившиеся и переходные режимы энергосистем. Аварийные переходные процессы возникают при резких изменениях режима. К ним относятся короткие замыкания в системе с последующим их отключением, а также случайные (аварийные) отключения агрегатов или линий электропередачи, несущих значительные нагрузки, т.е. большие возмущающие воздействия на систему. Такие воздействия приводят к значительным отклонениям режима от исходного состояния. Нарушение динамической устойчивости наиболее вероятно вследствие коротких замыканий в электрических сетях. Основными мерами по повышению динамической устойчивости являются: быстрое отключение участков с коротким замыканием, автоматическое повторное включение (АПВ) линий электропередачи, применение других средств противоаварийной автоматики и быстродействующих систем возбуждения генераторов электростанций, использование электрического и механического торможения генераторов. Динамический переход от одного режима к другому подвергается качественной оценке Динамические процессы, возникающие при больших возмущениях в энергосистемах, продолжаются, как правило, несколько секунд. При расчётах этих процессов за 3-5 секунд расчётного периода времени становится ясно, сохранится или не сохранится динамическая устойчивость. В расчётах оценивается характер протекания переходного процесса и характер нового установившегося режима.

Расчёты динамической устойчивости включают в себя:

• расчёт параметров динамического перехода при эксплуатационном или аварийном отключениях нагруженных элементов электрической системы;
• расчёт параметров динамических переходов при коротком замыкании в системе с учётом возможности перехода одного вида несимметричного короткого замыкания в другое (например, двухфазного на землю в трёхфазное);
• расчёт параметров динамических переходов при коротком замыкании в системе с учётом работы устройства АПВ элемента, отключённого при коротком замыкании.

Критерием оценки динамической устойчивости является коэффициент динамической устойчивости. При этом динамическая устойчивость сохраняется, если коэффициент динамической устойчивости больше или равен нормативной величине. Отключение генераторов (ОГ) во время динамического перехода является наиболее распространённым средством сохранения динамической устойчивости простых и сложных электроэнергетических систем при наличии и отсутствии АПВ. Также автоматические регуляторы возбуждения генераторов реагируют на изменение их напряжения и других параметров режима и, тем самым, оказывают влияние на протекание переходных процессов в энергосистемах. Однако, в некоторых случаях этого влияния недостаточно. Для сохранения динамической устойчивости энергосистемы используется дополнительное автоматическое воздействие на систему автоматического регулятора возбуждения (АРВ) с целью повышения тока возбуждения – форсировка возбуждения.

Расчёты динамической устойчивости выполняются для:

• определения предельного времени отключения расчётного вида короткого замыкания в наиболее опасных точках системы;
• формирования требований к основному оборудованию электростанций и сети, релейной защите и автоматике;
• определения параметров настройки средств противоаварийной автоматики, систем регулирования и управления, релейной защиты, автоматического повторного включения;
• выбора основной схемы энергосистемы и мест размещения электростанций и подстанций;
• оценки допустимости рабочих режимов энергосистемы;
• выбора мероприятий по повышению устойчивости энергосистемы.

В целях выполнения расчётов динамической устойчивости составляется расчётная схема, включающая в себя элементы электрической сети (линии электропередачи, трансформаторы и автотрансформаторы, реакторы, генераторы, синхронные компенсаторы и электродвигатели).

Расчёты коммутационных перенапряжений выполняются для определения возможности включения и отключении ненагруженной линии электропередачи, допустимости отключения ненагруженных трансформаторов, применения автоматического повторного включения (АПВ), а также для предупреждения возможных последствий при иных возмущениях в электрических сетях высокого реактивного сопротивления. На основании результатов расчётов разрабатываются мероприятия защиты от коммутационных перенапряжений.

Разработка и поддержание в актуальном состоянии расчётных моделей электрических сетей  произвольного размера и сложности, CIM, разработка и поддержание в актуальном состоянии моделей с время-зависимыми данными (параметрами), разработка и поддержание в актуальном состоянии баз данных ведения и актуализации расчётных моделей, а также сбора, обработки, хранения и изменения результатов контрольных измерений.

Оптимизация электрических и энергетических режимов  по передаваемой мощности энергосистемы и определение опасных сечений, оптимизация электрической сети по уровням напряжения, потерям мощности и распределению реактивной мощности, расчёт оптимальных положений и уставок, регуляторов трансформаторов под нагрузкой (РПН) и положений вольтодобавочных трансформаторов, разработку мероприятий ограничения токов короткого замыкания (ОТКЗ).

Структурный анализ потерь электрической энергии и мощности   по характеру, типам оборудования, районам и уровням напряжения. Данный анализ выполняется с целью разработки мероприятий снижения потерь электрической энергии и мощности.

Перечисленные мероприятия расчётов режимов электрической сети, расчётов токов короткого замыкания, статической и динамической устойчивости, коммутационных перенапряжений, разработки мероприятий по оптимизации электрических режимов позволят:

• обеспечить подключение требуемого количества потребителей при минимуме затрат;
• определить параметры оптимизации конфигурации и состава работающего оборудования;
• повысить надёжность работы электрической сети, уменьшить потери электрической энергии и мощности;
• оптимизировать управление существующих и определить места установки новых устройств компенсации реактивной мощности;
• разработать рекомендации по оптимальному управлению режимами работы электрической сети.

От точности расчётов электрических режимов зависят: надёжность и устойчивость работы электрической сети, генерирующего оборудования, величина потерь электроэнергии и мощности, экономическая эффективность работы каждого конкретного элемента электрической сети и предприятия в целом

АО «ЭПИЦ» всегда стремится организовывать выполнение работ таким образом, чтобы синхронизировать их с работами и инициативами наших клиентов. Детальные инженерные изыскания, моделирование, расчёты и анализ нормальных, утяжелённых, аварийных и послеаварийных режимов работы электрических сетей, создание схем перспективного развития, оптимизация режимов потребления, разработка мероприятий и рекомендаций по минимизации потерь электроэнергии позволяют оптимизировать текущее и перспективное управление электросетевой компанией, находить наиболее эффективные решения, своевременно определять ближайшие и долгосрочные потребности в модернизации и развитии Ваших электрических сетей.

Компания имеет опыт создания современной и эффективной среды для моделирования и анализа электрических систем любой сложности

Применяемые АО «ЭПИЦ» подходы позволяют обеспечить стабильность вычислений при расчётах установившихся режимов электрических сетей простой и сложной конфигурации. Использование в математической модели сети нескольких балансирующих узлов по активной и реактивной мощности наиболее точно соответствует режимам работы автотрансформаторов связи с магистральными сетями. Как показывает ряд последних исследований в этой области, такой подход в отличие от существующих методов с одним балансирующим узлом позволяет более точно определять потери мощности, корректно моделировать различные режимы.

На основании расчётов режимов принимаются решения о направлении развития сети, в том числе внедрении энергетических технологий, таких как FACTS, контроль температуры проводов воздушной линии электропередачи позволяет избежать неоправданных капиталовложений, связанных с экстенсивным развитием электрических сетей.

Важнейшей задачей для электросетевой компании (энергетиков) является бесперебойное обеспечение потребителей электроэнергией установленного законодательством качества. Для ее выполнения модернизируются существующие и строятся
новые объекты электросетевого хозяйства, основные технические решения которых закладываются на этапе проектирования.
Выбор того или иного решения обусловлен выводами, сделанными на основании расчетов.

Выполнение расчетов при проектировании электросетевых объектов, в том числе расчетов режимов и токов короткого замыкания, является ответственной и сложной задачей, для решения которой требуется опыт и высокий профессионализм

Расчеты при проектировании выполняются в несколько последовательных этапов.

Первоначально формируется детальное техническое задание (ТЗ), которое включает в себя подробное описание реконструируемого или строящегося объекта, а также требования, предъявляемые к видам расчетов, которые необходимо выполнить, например, расчет электрических режимов, расчет токов короткого замыкания. Несмотря на то, что на данном этапе не выполняются сами расчеты, он крайне важен для всей дальнейшей работы, т.к. задает рамки, в которых будет разрабатываться проект.

Перед проведением расчетов режимов и ТКЗ специалист определяет объекты прилегающей сети и уточняет их параметры, формирует модель на год окончания реконструкции или строительства, а также на перспективу 5 лет с учетом схем и программ перспективного развития.

Далее на основе нагрузок последнего контрольного замера с учетом данных о техническом присоединении и процента прироста нагрузки, рассчитываются нагрузки для зимы, лета минимума и лета максимума.

Затем выбираются наиболее тяжелые режимы работы сети и выполняется непосредственно расчет электрических режимов и токов короткого замыкания. Выявляются перегрузки оборудования, снижения напряжения, превышения ТКЗ отключающей способности выключателей. Расчеты выполняются в соответствии с требованиями нормативно-правовых документов (таких как стандарт ОАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007-29.240.30.047-2010 «Рекомендации по применению типовых принципиальных электрических схем распределительных устройств подстанций 35-750 кВ», «Методических указаний по применению в ПАО «Московская объединенная электросетевая компания» основных технических решений по эксплуатации, реконструкции и новому строительству электросетевых объектов», «Методическими указаниями по устойчивости энергосистем» СО 153-34.20.576-2003 (РД 34.20.576)) в программном комплексе RastrWin.

После чего делаются выводы о выборе оборудования, замене перегружаемого оборудования, изменении схемы работы сети, установки устройств противоаварийной автоматики и СКРМ, а эффективность мероприятий подтверждается дополнительными расчётами. Определение наиболее эффективного варианта производится в программном комплексе РТП 3

Все расчеты, их результаты и выводы оформляются в пояснительную записку и формируется полный комплект отчетной документации, который направляется на согласование. При наличии замечаний проектная документация и расчетные модели при необходимости корректируются, либо приводятся обоснования принятых решений, затем проект направляется на повторное согласование. Согласование проекта является заключительным этапом выполнения расчетов электрических режимов и токов короткого замыкания при проектировании.

Специалисты АО «ЭПИЦ» обладают всеми необходимыми компетенциями и качественно выполняют расчетов электрических режимов и токов короткого замыкания (ТКЗ).