Приспособляемость производства (электроэнергии).
Потребление электроэнергии, необходимой для сети, меняется постоянно, являясь суммой потреблений аппаратов, подключенных к этой сети в каждый момент времени.
Изменения в течение дня повторяются изо дня в день (по крайней мере, для рабочих дней), а изменения в течение года в основном похожи на предшествующие годы. Например, в европейских странах ежемесячное потребление максимально в декабре и январе и минимально в августе.
Ежегодная месячная тенденция потребления регулярно возрастает на 5—10% в зависимости от страны (менее быстрое увеличение наблюдается в наиболее развитых странах), т. е. в среднем наблюдается удвоение потребления в течение 10 лет.
Производство электроэнергии должно приспосабливаться к. этим изменениям, что требует:
планирования капиталовложений в средства производства, передачи и распределения (электроэнергии); решения о строительстве новых станций должны быть приняты на 5 лет вперед, что требует прогнозов на 10 или 15 лет и даже больше;
прогнозирования управления существующим оборудованием для различных периодов: года, недели, дня, т. е. распределения между различными типами станций, производящих электроэнергию, таким образом, чтобы уменьшить общие затраты;
разработки границы безопасности, чтобы противостоять случайным отклонениям производства (авариям генераторной группы, авариям на линии или трансформаторе) и потребления (отклонения по отношению к прогнозам составляют часто несколько процентов).
В современных сетях переменного тока нельзя накапливать энергии) достаточно экономичным образом в форме электрической. Химические аккумуляторы или электрические конденсаторы применимы только для специфических случаев при обеспечении временного питания автомата, обеспечивающего надежность электроснабжения.
Итак, необходимо располагать резервом, который может быть пущен в работу в относительно короткий срок. Для того чтобы противостоять случайным отклонениям в производстве (длительностью 1 мин и более), необходимо располагать станциями и оборудованием, способным быстро изменять свою мощность. К ним относятся:
ГЭС (с большим водохранилищем или бассейном кратковременного регулирования), производство которых может испытывать на себе значительные изменения (в относительных величинах) в течение нескольких секунд при условии, что в водохранилище остается вода; отсюда возникает проблема управления запасами воды;
ГАЭС, водохранилища которых наполняются водой во время минимума нагрузки; они экономичны только в том случае, если кпд цикла работы «насос — турбина» достаточно высок, а различие стоимостей электроэнергии при пиковых и минимальных нагрузках существенно. Были изучены и аналогичные системы, использующие другие потенциально возможные энергии, например сжатие газа;
— газовые турбины, которые могут быть запущены на полную мощность в течение нескольких секунд; существуют различные типы этих турбин: одни из них —классического типа; в качестве других используются авиационные турбины. Их экономическая целесообразность должна быть сбалансирована с повышенной стоимостью одного производимого ими киловатт-часа (электроэнергии) при уменьшенных капиталовложениях.
Но для того чтобы противостоять отклонениям (в производстве электроэнергии) по сравнению со среднесрочным прогнозом, рассмотренных средств может оказаться недостаточно. Можно избежать избытка дорогостоящего оборудования, обеспечивающего достаточный запас прочности, используя старые ТЭС с повышенной себестоимостью производства, оборудование которых находится на амортизации (холодный резерв). Однако длительное техническое обслуживание этих станций не должно быть слишком дорогим.
Использование различных резервных групп эффективно, если сеть Может передавать избыток мощности. Для этого возможно:
устанавливать резервные группы в непосредственной (насколько это возможно) близости от больших центров потребления; это легко осуществить для газовых турбин (но чрезмерный их шум часто препятствует этому);
существенно усиливать передающие сети во избежание так называемых «транспортных пробок». На практике, однако, чрезмерное усиление бесполезно, поскольку надежность поставки электроэнергии уже предполагает, что отключение (вследствие аварии) линий СВН не влияет на величину передаваемой мощности. Итак, можно принять незначительной вероятность одновременного выхода из строя мощной линии и возникновения при этом потребности в резервной группе, работающей на эту линию.
Поддержание качества поставки энергии.
Осуществление баланса между производством и потреблением электроэнергии эффективно, если всем потребителям поставляется электроэнергия гарантированного качества. Это приводит к тому, что необходимо предусмотреть более широкий диапазон:
для производства и передачи реактивной энергии при сохранении уровня напряжения, т. е. поддержании в каждом узле сети напряжения в определенных границах, отвечающих регулированию трансформаторов под нагрузкой;
для поддержания устойчивости сети и избежания перегрузок некоторых генераторных групп или линий, с тем чтобы набросы нагрузки в сети не вызывали выпадения из синхронизма;
для предотвращения аварий на оборудовании, производящем и передающем электроэнергию; генераторные группы имеют в среднем коэффициент готовности, равный приблизительно 90%; это означает, что десятая часть установленной мощности не готова к работе из-за аварий или последовательно проводимых профилактических работ; линии имеют коэффициенты готовности около 99%, но случайный характер повреждений на них и их тяжелые последствия приводят к увеличению размеров сети таким образом, чтобы внезапное отключение какой-либо линии имело незначительную вероятность для возникновения ситуации, похожей на развал «карточного домика».
Выше было показано, что поддержание и улучшение качества поставки энергии требует:
—расширения области применения автоматических устройств в сети;
централизации контроля оборудования с помощью передачи телеинформации и телеуправления.
Наблюдение за работой системы и управление ею осуществляются диспетчерской службой.
Имеются три основные задачи диспетчерского управления:
обеспечение постоянного высокого качества питания всех потребителей в любой точке системы, что требует наблюдения за регулированием частоты, напряжения и мощности;
осуществление наилучшего использования оборудования, т. е. электростанций и сетей, принимая во внимание все ограничения в производстве и передаче, а также обеспечивая наилучшим образом надежность электроснабжения;
проведение необходимых мер, ограничивающих последствия аварий во времени и пространстве, а также осуществление в наикратчайшие сроки восстановления нормальной работы системы при выполнении необходимых для этого переключений.
Последовательность принимаемых решений во времени.
Перечисление основных задач диспетчерского управления показало необходимость рассредоточения во времени этих задач и принимаемых решений. Все множество задач программируется. Природа поставленных задач, а следовательно, методов и средств, используемых для их решения, таким образом, имеет следующие уровни:
уровень нескольких секунд — мгновенное равновесие; мощность работающих групп должна точно следовать и мгновенно реагировать на случайные изменения нагрузки; в этом случае применяется первичное регулирование или регулирование скорости, которое реагирует на распределение мощностей из-за постоянного статизма, налагаемого на регуляторы для обеспечения устойчивости (см. т. 1, гл. 4); применяется также и вторичное регулирование, которое обеспечивает изменения мощности в соответствии с техническими критериями, определенными заранее; быстродействие первичного и вторичного регулирований достигается полной автоматизацией;
уровень нескольких минут — поиск экономичного распределения нагрузок между работающими группами при учете потерь в сети; это регулирование называют часто третичным регулированием или экономическим диспетчерским управлением; приемлемые сроки позволяют осуществлять его вручную и автоматически, во всяком случае необходимо производить расчеты, которые могут быть или приблизительными, или точными; в последнем случае прибегают к помощи мощных ЭВМ;
уровень дня или недели — использование имеющихся в распоряжении групп ТЭС таким образом, чтобы уменьшить число пусков и остановов (что связано всегда с потерями энергии); это осуществляется определенными способами управления ГЭС с суточно-недельным регулированием и ГАЭС (а также и другими «пиковыми группами»). Регулирование производится в соответствии с прогнозами потребления энергии и обеспеченности водой ГЭС и ГАЭС; поскольку в этих прогнозах не учитывается случайная составляющая, то управление на будущее оказывается несколько неопределенным;
уровень года (или уровень нескольких лет) — год кажется естественным периодом для оценки изменений как потребления, так и мощности, располагаемой на ГЭС (стоки гидравлической энергии), отсюда вытекает периодичность использования располагаемой мощности групп на ТЭС; остановы на несколько недель «тепловых» групп для проведения ежегодных ремонтных работ должны быть так распределены, чтобы наилучшим образом приспособиться к изменениям потребления и производства электроэнергии на ГЭС. Производство электроэнергии на ГЭС носит случайный характер, годовые прогнозы управления станциями должны принимать его во внимание (что приводит к планированию на два года и более). Следовательно, проблема состоит в прогнозе управления в будущем с учетом случайностей; эту задачу можно решать различными методами моделирования или методами динамического программирования;
уровень десятилетия — проблемы, перечисленные выше, состояли в управлении существующими станциями; в самом деле, необходимо около 4 лет, чтобы построить ТЭС (большее время требуется для ГЭС) и 2—3 года для сооружения линии передач; на уровне 5—10 лет природа решаемых задач меняется: выработка планов поставки оборудования требует поисковых исследований в управлении этим оборудованием, поэтому необходимо привлечь на помощь современные математические средства и, в частности, линейное (или нелинейное) программирование.
