Энергосистемой страны называют совокупность нескольких элементов – электростанций, повышающих и понижающих распределительных подстанций, электрических и тепловых сетей.

Электростанции осуществляют выработку электрической и тепловой (для ТЭЦ) энергии. Электрическая энергия, вырабатываемая на электростанциях, повышается до требуемого значения напряжения на повышающих подстанциях и отдается в сеть, в частности в магистральные электрические сети, где в дальнейшем распределяется в соответствии с величиной потребляемой мощности того или иного района, предприятия в пределах энергосистемы страны или отдельного региона.

Если идет речь об энергосистеме страны, то магистральные сети опутывают всю ее территорию. К магистральным сетям относятся линии напряжением 220, 330, 750 кВ, по которым протекают большие потоки мощности – от нескольких сотен МВт до десятков ГВт.

Следующий этап – преобразование высокого напряжения магистральных сетей для районных, узловых подстанций, подстанций крупных предприятий напряжением 110 кВ. По сетям 110 кВ протекают потоки мощности в пределах десятков МВт.

На подстанциях 110 кВ электроэнергия распределяется на более мелкие, потребительские подстанции населенных пунктов и различных предприятий напряжением 6, 10, 35 кВ. Далее напряжение электрической сети понижается до требуемых потребителю значений. Если это населенные пункты и малые предприятия, то напряжение понижают до величины 380/220 В. Существует также оборудование крупных промышленных предприятий, которое питается непосредственно от высокого напряжения величиной 6 кВ.

Тепловые электроцентрали (ТЭЦ) помимо электрической энергии, вырабатывают тепловую, которая используется для обогрева зданий и сооружений. Тепловая энергия, отпускаемая ТЭЦ, распределяется потребителям по тепловым сетям.

Особенности работы энергосистемы

При рассмотрении работы энергосистемы особое внимание следует уделить процессам передачи электрической энергии. Производство и передача электрической электроэнергии – сложный взаимосвязанный процесс.

В энергосистеме непрерывно, в режиме реального времени происходит выработка, передача и потребление энергии потребителями. Накапливание электроэнергии (аккумуляция) в объемах энергосистемы не производится, поэтому в энергосистеме постоянно контролируется баланс между производимой и потребляемой электрической энергией.

В случае возникновения дефицита вырабатываемой электроэнергии, в частности ее активной составляющей, возникает дефицит мощности, то есть нарушается энергетический баланс. При этом наблюдается снижение частоты электрической сети ниже допустимого значения. Чем больше дефицит электроэнергии в энергосистеме, тем ниже частота.

Процесс нарушения энергетического баланса является наиболее опасным для энергосистемы и если его на начальном этапе не остановить, то произойдет полный развал энергосистемы.

Для предотвращения развала энергосистемы при наличии дефицита мощности на распределительных подстанциях применяется противоаварийная автоматика – автоматическая частотная разгрузка (АЧР) и автоматика ликвидации асинхронного режима (АЛАР).

АЧР осуществляет автоматическое отключение определенной части нагрузки потребителей, чем снижает дефицит мощности в энергосистеме. АЛАР – это сложная автоматическая система, которая осуществляет автоматическое обнаружение и ликвидацию асинхронных режимов в электрических сетях. В случае возникновения дефицита мощности в энергосистеме АЛАР работает совместно с АЧР.

На всех участках энергосистемы возможно возникновение различных аварийных ситуаций: повреждение различного оборудования станций и подстанций, повреждение в кабельных и воздушных линиях электропередач, нарушение нормальной работы устройств релейной защиты и автоматики и пр. Поэтому энергетическая система строится таким образом, чтобы в случае возможных аварийных ситуаций она оставалась работоспособной и обеспечивала питание потребителей в соответствии с их категорией надежности электроснабжения.

Особенности регулировки напряжения

Напряжение в энергосистеме регулируется таким образом, чтобы обеспечить нормальные значение напряжения на всех участках. Регулировка напряжения у конечного потребителя производится в соответствии со средними значениями напряжения, получаемого с более крупных подстанций.

Как правило, такая регулировка производится один раз, в дальнейшем регулировка напряжения производится на крупных узлах – районных подстанциях, так как постоянно регулировать напряжение на каждой потребительской подстанции нецелесообразно в виду их большого количества.

Регулировка напряжения на подстанциях осуществляется при помощи устройств ПБВ и РПН, встроенных в силовые трансформаторы и автотрансформаторы. Регулировка посредством устройств ПБВ осуществляется при отключенном от сети трансформаторе (переключение без возбуждения). Устройства РПН позволяют осуществлять регулировку напряжения под нагрузкой, то есть без необходимости предварительного отключения трансформатора (автотрансформатора).

Регулировка напряжения при помощи РПН силовых трансформаторов может производиться, как автоматически, так и вручную. Также, в зависимости от технического состояния трансформаторов (автотрансформаторов), с целью продления срока службы устройств РПН, может приниматься решение о регулировке напряжения исключительно в ручном режиме, с предварительным снятием нагрузки с трансформатора. При этом возможность переключения ответвлений РПН под нагрузкой сохраняется и в случае возникновения необходимости быстрой регулировки напряжения, можно выполнить данную операцию без предварительного снятия нагрузки с трансформатора.

Потери мощности и энергии

Передача электрической энергии неизбежно сопровождается потерями мощности и энергии в трансформаторах и линиях. Указанные потери должны быть покрыты соответствующим увеличением мощности источников питания, что вызывает повышение капиталовложений на сооружение энергосистемы.

Кроме того, потери мощности и энергии вызывают дополнительные затраты топлива на электростанциях, стоимость электроэнергии, тем самым повышая себестоимость электроэнергии. Поэтому при проектировании необходимо стремиться к снижению этих потерь во всех элементах электросети.

Параллельная работа энергосистем

Энергосистемы стран или отдельные участки энергосистемы в пределах одной страны могут объединяться и в совокупности представляют собой объединенную энергосистему.

Если две энергетические системы имеют одинаковые параметры, то они могут работать параллельно (синхронно). Возможность синхронной работы двух энергетических систем позволяет значительно повысить их надежность, так как в случае возникновения большого дефицита мощности в одной из энергосистем, данный дефицит может быть покрыт из другой энергосистемы. При объединении энергосистем нескольких стран можно осуществлять экспорт или импорт электрической энергии между данными странами.

Но если две энергосистемы имеют некоторые различия в электрических параметрах, в частности частоте электрической сети, то при необходимости объединения данных энергосистем прямое их включение на параллельную работу недопустимо.

В данном случае выходят из положения путем использования для передачи электроэнергии между энергосистемами линий постоянного тока, которые позволяют объединить не синхронизируемые энергосистемы, характеризующиеся различной частотой электрической сети.

Энергетическая система (энергосистема) — совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, соединённых между собой и связанных общностью режимов в непрерывном процессе производства, преобразования, передачи и распределения электрической и тепловой энергии при общем управлении этим режимом.

Содержание

Энергосистема как объект управления [ править | править код ]

Важнейший признак энергетической системы, отличающий ее от других крупных промышленных и производственных объединений, одновременность процессов производства, распределения и потребления электрической энергии, обусловленная невозможностью складирования готовой продукции и необходимостью баланса между суммарными мощностями, генерируемыми электростанциями и потребляемыми в энергетической системе. Появление небаланса, как правило, сопровождается изменением режимных параметров энергетической системы напряжений, токов, частоты сети и других, отклонение которых лимитированы.

Энергетическая система относится к так называемым большим сложным системам. Условимся называть сложной системой такое объединение многофункциональных элементов (подсистем), имеющих общую цель управления, в результате взаимодействия которых система приобретает новые качества. Например, в случае объединения ТЭС, управляемых единой автоматизированной системой, достигают повышения качества электроэнергии и экономических показателей ЭС в целом.

Современная объединенная энергетическая система (ОЭС) — огромный и чрезвычайно сложный производственный комплекс, имеющий внутренние и внешние энергетические, транспортные, информационные и экономические связи. Управление таким комплексом требует быстрого принятия ответственных решений. Перерывы и отказы в работе ведут к тяжелым экономическим и социальным последствиям. [1]

Что же такое энергосистема? Это – совокупность всех энергетических ресурсов, которые связаны между собой, а также сюда входят все методы по добыче электрической энергии и тепловой энергии. К данной системе относят также преобразование, распределение и использование полученного ресурса. В данную цепь входят такие объекты, как электрические и тепловые станции, структуры по снабжению нефтью, линии альтернативной возобновляемой энергии, снабжение газом, угольная и ядерная промышленность.

Общая информация

Энергосистема – это также совокупность всех электростанций, а также электрических и тепловых сетей, которые связаны между собой, кроме этого у них имеются соединенные общие режимы работы, относящиеся к непрерывному движению производства. Кроме производства сюда относят и процессы преобразования, передачи, а также распределения имеющейся электрической и тепловой энергии, подчиняющиеся одному режиму работы.

Энергосистема – это еще и общая система, которая включает в себя все энергетические ресурсы любого вида. Сюда же относят и все использующиеся методы получения, преобразования и распределения, а также все технологические средства и организационные предприятия, которые занимаются обеспечением населения страны всеми видами этого ресурса.

Таким образом, энергосистема – это общая сумма всех электрических станций и тепловых сетей, которые объединены между собой, а также имеют общий график, установленный в процессе непрерывного производства, подачи и распределения электрической и тепловой энергии, учитывая, что они имеют общее централизованное управление таким режимом работы.

Специфика работы энергетической системы

Стоит отметить очень важный факт: человечество не имеет возможности накапливать электрическую или тепловую энергию впрок. Сделать запас этих ресурсов невозможно. Это объясняется спецификой работы станций, занимающихся производством этого сырья. Все дело в том, что работа объекта, занимающегося выработкой электрической энергии, – это непрерывная генерация ресурса, а также поддержка равенства соотношения потребляемой и генерируемой мощности в любой момент времени. Другими словами, электростанции вырабатывают ровно столько энергии, сколько им необходимо отдать. То же самое касается и тепловых подстанций. Источники энергии, а также ее потребители объединяются в энергосистемы прежде всего для того, чтобы обеспечить высокую надежность снабжения населения этими видами энергии.

Параметры энергетической системы и электрических станций

Одна из основных характеристик, которая является определяющей в работе электрической станции и характеризует общую работу всей системы, – это мощность.

Установленная мощность электростанции. Под этим определением понимают сумму номинальных показателей всех установленных элементов на одном объекте. Если объяснять подробнее, то совокупность определяется по техническому паспорту каждого первичного двигателя, который может быть паровой, газовой, гидравлической турбиной или другим видом двигателя. Данные первичные агрегаты используются для привода электрических генераторов. Стоит отметить, что в данную характеристику также нужно включать те устройства, которые считаются резервными, и те, что находятся в данный момент времени на ремонте.

Мощности электростанций

Кроме установленной мощности, есть еще несколько характеристик, которые описывают работу электрической станции. Мощность энергосистемы может быть также располагаемой.

Для того чтобы вычислить данный показатель, необходимо вычесть из установленной те показатели, которыми обладают двигатели, находящиеся на ремонте. Также при нахождении этого параметра необходимо учесть такую вещь, как техническое ограничение, которое может быть связано с конструктивным или технологическим показателем двигателя.

Имеется также такая характеристики, как рабочая мощность. Описать данный параметр довольно просто. В него входит суммарный показатель, который складывается из цифровых значений тех двигателей, что эксплуатируются в данный момент.

Общие сведения о работе системы

Принцип работы станций, входящих в систему, в общем-то, довольно прост. Каждый объект предназначен для того, чтобы вырабатывать определенное количество электрической или тепловой энергии (для ТЭЦ). Однако тут важно добавить, что после того как этот тип ресурса был выработан, он не сразу поставляется потребителю, а проходит через такие объекты, которые называются повышающими подстанциями. Из названия строения понятно, что на данном участке происходит повышение напряжения до нужного уровня. Только после этого ресурс уже начинает распространяться по потребительским точкам. Осуществлять управление энергосистемой необходимо с большой точностью, а также четко регулировать подачу энергии. После прохождения повышающей станции электричество должно передаваться в магистральные линии.

Энергетическая система страны

Развитие энергосистемы – это одна из важнейших задач любого государства. Если говорить о масштабах целой страны, то магистральные сети должны опутывать всю территорию страны. Данные сети характеризуются тем, что провода способны выдерживать потоки электрической энергии с напряжением 220, 330 и 750 кВ. Тут важно отметить, что мощность, имеющаяся в таких линиях, огромна. Этот показатель может достигать от нескольких сотен мВт до нескольких десятков гВт.

Такая нагрузка энергосистемы является огромной, а потому следующий этап работы – это понижение напряжения и мощности для подачи электричества на районные и узловые подстанции. Вольтаж для таких объектов должен быть 110 кВ, а мощность – не превышать нескольких десятков мВт.

Характеристика эксплуатации

Если рассматривать процесс эксплуатации энергетической системы, то особое внимание необходимо уделить таким этапам, как передача и производство электрической энергии. Сразу нужно отметить, что эти два режима энергосистемы непосредственно связаны между собой. Они образуют один сложный рабочий процесс.

Важно понимать, что энергетическая система находится в режиме постоянной выработки и передачи электроэнергии потребителям в реальном времени. Такой процесс, как аккумуляция, то есть накапливание, выработанного ресурса не происходит. Это значит, что возникает необходимость постоянного контроля и регулирования баланса между производимой и потребляемой мощностью.

Баланс мощностей

Следить за балансом между производимой и потребляемой мощностью можно по такой характеристике, как частота электрической сети. Частота в энергосистеме России, Беларуси и других стран равна 50 Гц. Отклонение этого показателя допускается в ±0,2 Гц. Если данная характеристика находится в пределах 49,8-50,2 Гц, то считается, что баланс в работе энергетической системы соблюдается.

Если произойдет нехватка производимой мощности, то энергетический баланс нарушится, а частота сети начнет падать. Чем выше будет показатель нехватки мощности, тем ниже будет опускаться частотная характеристика. Важно понимать, что нарушение работоспособности системы, а точнее, ее баланса, – это один из наиболее серьезных недостатков. Если не остановить эту проблему на ее начальном этапе, то в дальнейшем это приведет к тому, что произойдет полный развал энергосистемы России или любой другой страны, в которой нарушится баланс.

Как предотвратить разрушение

Для того чтобы избежать катастрофических последствий, которые произойдут, если система рухнет, была изобретена программа автоматической частотной нагрузки, которая используется на подстанциях. Работает она полностью автономно. Ее включение происходит в тот момент, когда в линии возникает нехватка мощности. Также для этих целей используется еще одна структура, которая называется автоматической ликвидацией асинхронного режима.

Если говорить о работе АЧР, то тут все довольно просто. Принцип работы этой программы довольно прост и заключается в том, что она автоматически отключает часть нагрузки на энергосистему. То есть отключает от нее часть потребителей, чем снижает потребляемую мощность, а значит, восстанавливает баланс в общей системе.

АЛАР же – это более сложная система, задача которой заключает в том, чтобы находить места асинхронных режимов работы электрической сети и ликвидировать их. Если в общей энергосистеме страны возникает дефицит мощности, то АЧР и АЛАР на подстанциях включаются в работу одновременно.

Регулировка напряжения

Задача регулировки напряжения в энергетической структуре ставится таким образом, что необходимо обеспечивать нормальное значение этого показателя на всех участках сети. Тут важно отметить, что процесс регулирования у конечного потребителя осуществляется в соответствии со средним значением напряжения, которое поступает от более крупного поставщика.

Основной нюанс заключается в том, что такая регулировка осуществлятся лишь один раз. После этого все процессы проходят на более крупных узлах, к которым, как правило, относят районные станции. Это делается по причине того, что осуществлять постоянный контроль и регулировку напряжения на конечной подстанции нецелесообразно, так как их количество в масштабах страны просто огромно.

Технологии и энергосистемы

Технологическое развитие привело к тому, что появилась возможность подключать энергосистемы параллельно друг другу. Это относится либо к структурам соседних стран, либо же к устройству внутри одной страны. Осуществление такого подключения становится возможным в том случае, если две разных энергетических системы имеют одинаковые параметры. Этот режим работы считается очень надежным. Причиной этого стало то, что при синхронной работе двух структур, если в одной из них возникает дефицит мощности, есть возможность его устранения за счет другой, работающей параллельно этой. Объединение энергосистем нескольких стран в одну открывает такие возможности, как экспорт или импорт электрической и тепловой энергии между этими государствами.

Однако для такого режима работы необходимо полное соответствие частоты электрической сети между двумя системами. Если по данному параметру они отличаются, даже немного, то их синхронное подключение не допускается.

Устойчивость энергосистемы

Под устойчивостью энергетической системы понимают ее способность вернуться к стабильному режиму работы после возникновения любого рода возмущений.

У структуры имеется два вида устойчивости – это статическая и динамическая.

Если говорить о первом виде устойчивости, то он характеризуется тем, что энергетическая система способна вернуться в исходное положение после возникновения малых или же медленно происходящих возмущений. К примеру, это может быть медленное увеличение или снижение нагрузки.

Под динамической же устойчивостью понимают способность всей системы сохранить стабильное положение после возникновения резких или внезапных изменениях в режиме работы.

Безопасность

Инструкция в энергосистеме по ее безопасности – это то, что должен знать каждый сотрудник любой электростанции.

Для начала стоит понять, что считается аварийной ситуацией. Под такое описание подходят случаи, когда происходят изменения в стабильной работе оборудования, влекущие за собой угрозу аварии. Признаки этого происшествия определяются для каждой отрасли согласно ее нормативно-техническим документам.

Если же аварийная ситуация все же возникла, то эксплуатационный персонал обязан принять меры по локализации и дальнейшей ликвидации создавшегося положения. При этом важно выполнить две следующие задачи: обеспечить безопасность людей и, по возможности, сохранить все оборудование в целостности и сохранности.