Частные аспекты планирования.
Развитие пропускной способности сети получают тремя возможными путями:
улучшением технических характеристик существующих линий (главным образом увеличением сечения, а также компенсацией реактивной мощности с помощью параллельно или последовательно включаемых конденсаторов, увеличением напряжения и т. д.);
увеличением числа линий, т. е. изменением топологии системы;
созданием новых «источников» (трансформаторный пункт).
Все это справедливо, однако, для существующих сетей, хотя легко
распространяется и на вновь создаваемые сети, поскольку в них задаются узлы (нагрузки или станции) и определяется простая структура линий, соединяющих эти узлы и позволяющих передать предусмотренную мощность.
Рост нагрузок, для которых сеть должна передавать мощность, постоянно увеличивается и характеризуется коэффициентом, который практически длительное время (годы) остается постоянным, хотя иногда и наблюдаются отклонения (например, при появлении мощного потребителя или сооружения станции). Но даже если эти отклонения и весьма значительны, как это имеет место в сетях НН, их случайный аспект обязывает ввести в рассуждения средневероятное увеличение, которое кажется постоянным.
Средства усиления (сетей) в связи с отмеченным являются в общем случае разрывными (несвязными). Этот аспект усиливается соблюдением правил стандартизации, подтверждаемых экономическими условиями, из которых они вытекают.
Время, необходимое для работ по усилению сетей, значительно меньше времени для работ по усилению средств производства. И все же оно равно 2—3 годам для передающих линий (по крайней мере, из-за трудностей получения прав на прокладку этих линий) и равно только нескольким месяцам для распределительных сетей СН и НН, годовые программы усиления которых могут лучше отвечать потребностям: в них.
Состояние сети.
В своем развитии сеть проходит через последовательность состояний; каждое из них определяется:
соответствующей топологией сети, т. е. совокупностью узлов и ветвей; топология задается или картой, схемой, графом, или топологической матрицей (см. т. 2, гл. 2), или просто перечислением узлов нагрузки;
нагрузкой, т. е. потреблением мощности в каждом узле (узлы нагрузки распределительных сетей);
технической описью, т. е. списком технических характеристик каждой ветви (рассматриваемой в виде диполя), а именно:
а) для воздушных линий и кабелей — их длина, напряжение, сечение, активное и индуктивное сопротивления;
б) для трансформаторов и генераторов — число параллельно включенных аппаратов, номинальная мощность, напряжение, потери, полное сопротивление (%).
Эта опись применима к сети, ограниченной в пространстве так, чтобы иметь возможность рассматривать проблемы, сложность которых совместима с располагаемыми средствами. Оказывается необходимым переходить к делению системы на отдельные части в точках, где взаимодействия между смежными системами: незначительны или легко воспроизводимы простейшим образом. Из этого следует два типа деления систем на подсистемы:
деление по напряжению с помощью естественного разделения между:
а) распределительными сетями СН и НН, осуществляемого с помощью радиальных сетей, в которых подстанции ВН/СН или СН/НН являются источниками для сетей с более низким напряжением и узлами нагрузки сетей более высокого напряжения;
б) питающими сетями (63 или 90 кВ во Франции и 50—110 кВ в других странах), осуществляемого с помощью разветвленных сетей ограниченных размеров, каждая из которых питается незначительным числом подстанций, где предыдущая сеть воспроизводится на основе знания мощностей к. з;
в) передающими сетями, которые достаточно легко развязываются с питающими, даже сильно разветвленными сетями (из-за соотношения, существующего между полными сопротивлениями обеих сетей);
географическое деление, которое дополняет предыдущее:
а) для радиальных сетей группируют зоны, питаемые от соседних: подстанций, разработанных так, чтобы оказывать взаимную помощь, но ограничивают их до таких границ, при которых эта помощь незначительна (географическая граница или административная граница); образуют таким образом зоны, диаметр которых примерно равен 100 км;
б) для разветвленных сетей проводят деление по границам страны (или фирмы, которая эксплуатирует сеть), поскольку межсистемные связи между странами (или фирмами) играют главным образом роль вспомогательных или передающих сетей.
Стратегии развития.
Стратегией называют последовательность следующих друг за другом состояний исследуемой сети в течение времени, на которое распространяется это исследование. Это время ограничено по приведенным доводам: долгосрочные прогнозы становятся слишком неточными. В общем случае исследования развития сети распространяются на период в 20—30 лет; общепризнано, что следует рассматривать только программы, разработанные на первые пять лет, а программы на последующие годы неизбежно проверяются в свете новых данных
о будущем потреблении и эволюции техники (и, следовательно, стоимостей).
Последовательные состояния отделены друг от друга изменениями, чередование и время наступления которых предстоит определить. Оптимальная стратегия — это последовательность изменений состояний, позволяющая получить минимальную сумму стоимостей оборудования и эксплуатационных расходов.
Изменения состояний происходят при соблюдении правил стандартизации, полученных на основании предварительных общих исследований; при эксплуатации сети в данном состоянии также должны соблюдаться некоторые правила, выведенные из технических ограничений или общих исследований. Как одни, так и другие правила могут рассматриваться в качестве предварительных субоптимизаций. Существует два типа изменения состояния (которые часто объединяют в одно целое):
без изменения топологии путем замены различных аппаратов другими с лучшими характеристиками (проводов линий, трансформаторов); изменение напряжения может быть также отнесено к этому типу;
с изменением топологии, т. е. добавлением новых линий, подстанций, источников.
Принципы развития сети.
Исследуемые сети, будь то передающие или распределительные, содержат в общем случае сотни ветвей. Усиления сети касаются только некоторых из них, но имеется много способов возможных усилений, а комбинаторный анализ показывает, что число соответствующих решений очень велико. Можно легко сделать первую выборку наиболее интересных решений для каждого изменения состояния.
Метод основан на поиске последовательности изменений состояния или стратегии, состоящей из предварительно выбранных или полученных в результате расчета изменений состояний, общая стоимость которой возможно самая маленькая. Следовательно, при использовании этого метода нельзя быть уверенным в том, что будет достигнуто оптимальное решение (оно может быть получено из изменения состояния, не вошедшего в число предварительно выбранных), но можно быть уверенным в том, что выбранное решение очень близко к. оптимальному. Неточность некоторых данных (и в частности, стоимостей и помех) сделала бы бесполезным поиск оптимального решения.
Сравнение стратегий может осуществляться двумя эквивалентными методами:
методом оценки объектов;
методом оценки затрат на простои, когда для каждого года учитывают расходы ежегодной эксплуатации.
Оценка расходов на эксплуатацию.
Расходы, связанные с использованием оборудования, могут быть разделены на три категории;
Постоянные затраты F, т. е. затраты, не зависящие от передаваемой энергии, хотя они и зависят от состояния сети:
F-M+G+N, (2.3)
где М— стоимость потерь в «стали» трансформаторов и других аппаратов, имеющих магнитный сердечник (строго говоря, надо было бы рассчитывать активные и реактивные потери, но часто ограничиваются только первыми);
G—расходы на управление и содержание (в них входит также и зарплата персонала), принятые с достаточным приближением не зависящими от нагрузки; N— стоимость помех в той мере, в какой они независимы от нагрузки и могут быть выражены в цифрах.
Переменные затраты V (зависят от нагрузки); их рассчитывают ежегодно, и, следовательно, они являются функцией числа годов п:
V(n)-J(n) + T(n) + S(n). (2.4)
Здесь J(n)—стоимость ежегодных тепловых потерь в линиях и трансформаторах в течение n -го года; Т(п)—стоимость неравномерности напряжения в течение года; S(n)— стоимость перерывов в питании в течение года.
Расходы, вызываемые изменением состояния (переход из начального состояния i в конечное состояние J),
.. (2.5)
Где /(, —стоимость нового оборудования, включая стоимость его установки; Dy — стоимость демонтажа и переключений; Ru — стоимость оборудования, изымаемого из сети, т. е. значение остаточной стоимости (например, для трансформаторов) или величина повторной продажи (железо и т. д.).
Основными затратами, кроме капиталовложений Та, являются в общем случае стоимости тепловых потерь Jj(n) и неравномерности напряжения Т'(п). Индекс «/'» у коэффициентов Jt и Tt означает, что оборудование находится в i-м состоянии и вследствие этого включает в себя все предыдущие изменения. Стоимость неравномерности напряжения была изучена в т. 1, § 6.3. Расчет стоимости тепловых потерь может быть только приблизительным. В действительности для будущих годов необходимо знание не только максимально ожидаемой ежегодно мощности, но также и знание характера изменения кривой нагрузки. Характер нагрузки изменяется, как правило, очень медленно из года в год (за исключением особых случаев); в общем случае его характеризуют пиковой мощностью РМакс и годовой энергией, т. е. средней мощностью Р0. Если кривую нагрузки, увязать с известной функцией, то можно J„ выразить в виде квадратичной функции от Р0 и /макс.
Выразим в числах стоимость 1 кВт • ч потерь. Теоретически она равна единичной стоимости энергии в определенной точке, где имеют место потери. Следовательно, она меняется от одной точки сети к другой и даже от одной точки линии к другой ее точке. И все же эти изменения малы и на практике стоимость 1 кВт-ч потерь может быть принята равной стоимости 1 кВт. ч в точке поставки энергии рассматриваемой сети, т. е. стоимость 1 кВт -ч «на среднем напряжении» для потерь в сетях НН — стоимости 1 кВт - ч «на высоком напряжении» для потерь в сетях СН, стоимости производства (электроэнергии) для потерь в передающих сетях.
Изменения состояния во времени.
Этот расчет базируется на оценке расходов на простои. Он обусловливает необходимость оценки того, какая доля расходов на последовательные изменения относится к использованию сети в течение какого-либо я-ro года. Примем для этого, что можно оценить расходы на простой, т. е. сумму членов 10 , с помощью метода постоянных аннуитетов (ежегодных взносов), т. е. для n-го года при коэффициенте осуществления а
где Ьп — сумма капиталовложений 1и, осуществляемых в течение п первых лет.
Если сеть остается в /-м состоянии, то расходы на эксплуатацию растут во времени. Год, когда станет экономически выгодным перейти из /'-го состояния в 7-е состояние сети, наступит тогда, когда уменьшение постоянных и переменных потерь делает рентабельными расходы капиталовложений при коэффициенте, равном и большем коэффициента осуществления а:
(2.6)
Эту формулу часто можно упростить, если:
принять, что величина окупаемой стоимости R0 почти компенсирует стоимость демонтажа Сй;
рассматривать, что переменные затраты V(n) относятся главным образом к тепловым потерям и неравномерности напряжений, стоимости которых изменяются пропорционально квадрату передаваемой мощности, а последняя растет, как правило, по экспоненциальному закону. Пусть Р0—мощность, передаваемая сетью (или частью этой сети) в исходный год; К0, — стоимость переменных потерь в сети (или в рассматриваемой ее части) в i-м состоянии, когда она передает мощность Р0; V0j—то же, в j-м состоянии.
Отсюда для я-го года получим
Уравнение (2.6) изменения состояния принимает в этих условиях простой вид:
откуда
(2,7)
Очевидно, для ni-го года изменения состояния принимают целое число, меньшее значения второго члена уравнения (2.7).
Выбор оптимальной стратегии.
Выше указывалось, что оптимальной будет та стратегия, которая отвечает последовательности выбранных состояний сети, соответствующих общей минимальной стоимости в течение периода исследования развития. Процесс поиска оптимальной стратегии вкратце можно представить как:
опись состояний, которые предполагается выбрать для исследования; эти состояния- различаются характером усилений (увеличением сечений линий или мощности трансформаторов, добавлением новых линий или питающих подстанций и т. д.);
расчет числа лет изменения состояния для каждой пары лет, заключенной в описи;
хронологическую классификацию всех полученных лет изменения состояния;
составление возможных состояний, образованных любой логической последовательностью изменений состояний, следующих одно за другим в период исследования; составляют список этих стратегий, начиная с тех, которые содержат небольшое число состояний.
Стоимость осуществления стратегии представляется в виде двойной суммы членов, равных стоимостям, соответствующим различным состояниям, составляющим эту стратегию; состояния следуют одно за другим в течение периода исследования в порядке 0,1..., к— 1, к, к+1, определяемом предыдущими этапами исследования.
