Энергетические системы - Структура распределительных сетей

Общая конфигурация (архитектура)

Распределение в широком смысле слова. При изучении структуры сетей, а также эксплуатации и развития различных типов распределительных сетей различать их очень сложно. Структура сети зависит от структур сетей, расположенных до и после нее (по отношению к общему направлению передачи энергии), и от числа источников, поставляющих энергию в сеть. На нее влияет также достаточно разветвленная структура находящейся перед ней сети; усиление сети может быть получено или увеличением сечения линий сети, или сооружением новых источников (и, следовательно, линий ВН, питающих источники).
Этот факт отражается в организации служб, которые во всех странах разделяются на службы, выполняющие функции в области «передачи» и области «распределения». Граница между двумя областями неточная; «питающие» сети, определение которых дано выше, в зависимости от обстоятельств или страны относятся или к передающим, или к распределительным сетям.
В широком смысле область «распределения» включает в себя не только сети СН и НН, но также И подстанции, которые питают эти сети и некоторые питающие сети.
Связь плотности нагрузок и топологии сети. Ранее показано, что «единичные» нагрузки потребительских аппаратов изменяются от нескольких ватт до нескольких киловатт для бытовых потребителей и от нескольких киловатт до нескольких сотен киловатт у промышленных нагрузок. Но в зависимости от того, сконцентрированы или распределены подобные нагрузки, их можно (или нельзя) обслуживать с помощью одной и той же линии; тогда сети с малым напряжением будут относительно развиты.
В зоне с большой плотностью нагрузок сети НН будут короткими, сети СН будут доходить почти до самых потребителей.
В зоне с низкой плотностью нагрузок, напротив, сети НН будут более длинными, дистанция между источниками и потребителями будет частично состоять из линии НН, а частично — из линии СН так, чтобы обеспечить наилучшее качество обслуживания. Это объясняет существенную разницу в структуре между сельскими сетями в зонах с разбросанными жилыми постройками и сетями центров городских жилых районов; промежуточные структуры применяются для промежуточных условий.

Табл. 3.1 показывает, как изменяются средние характеристики сетей для некоторых центров распределительных сетей Э д е Ф, выбранных в типичных районах. Поскольку речь идет о средних величинах, то в каждом центре величины одних и тех же характеристик будут существенно различными.
В зоне с большой плотностью нагрузок (обширная ли зона в несколько десятков квадратных километров или только локализованная) общая нагрузка, которую надо подвести к ней, оправдывает сооружение подстанций ВН в непосредственной близости от нагрузок. Укорачивание распределительных сетей, которое из этого следует, вызывает не только уменьшение потерь в линии, но и улучшает качество обслуживания в отношении как падений напряжения, так и перерывов питания. В обширной зоне возможности создания замкнутых сетей увеличиваются, и это может привести при большой плотности нагрузки к оправдыванию замыкания петель сети.
В зоне с малой плотностью нагрузок в общем случае сами по себе единичные нагрузки незначительны; из этого следует высокая стоимость распределения электроэнергии и оптимальное распределение между длинами линий СН и НН. В стоимость распределения входят стоимости линий СН и НН, подстанций СН/НН и джоулевых потерь, которые значительно больше в линиях НН. Можно укоротить линии НН, увеличивая число подстанций CH/HH, что уменьшает их единичную мощность. Следовательно, «решение спора» между стоимостью подстанций и стоимостью потерь в линиях HH приводит к оптимальному числу подстанций СН/НН и оптимальному распределению между длинами линий СН и НН (общая трасса сети немного изменяется).
Аналогичные рассуждения можно привести для подстанций как ВН/СН, так и СН/НН; при этом зоны с малой плотностью нагрузок должны обслуживаться относительно длинными линиями СН и НН.
Так, в Э де Ф после углубленных исследований были разработаны (а затем и запущены в производство к 60-м годам) подстанции СН/НН на стандартных мачтах, которые доказали надежность, открыли новые возможности для усиления распределительных сетей.
Автоматизация сети. Разбросанность на большой площади многочисленных аппаратов (потребительских аппаратов или установок распределительной сети) — неблагоприятный фактор для автоматизации. Поэтому распределительные сети долгое время оставались (особенно в сельских районах) слабо автоматизированными.
Практически вся защитная аппаратура концентрировалась на подстанциях ВН/СН (автоматические выключатели на отходящих фидерах с АПВ); на входящих в эти подстанции линиях имелись только отделители или выключатели нагрузки (аппараты, приводимые в действие вручную) или предохранители (предохранители СН с большим предельным током отключения, предохранители на отходящих фидерах НН, предохранители абонентов, которые требовали вмешательства персонала подстанций при их срабатывании).
В городских сетях, за исключением сетей крупных городских центров,
некоторые автоматические выключатели располагаются на различных подстанциях сети СН, но в общем случае даже без централизованной телесигнализации: в случае срабатывания этих автоматических выключателей необходимо вмешательство обслуживающего персонала для их включения. В настоящее время автоматизация, по крайней мере в городских сетях, становится все более полной и централизованной. Автоматизация была введена для переключений аппаратов, которые по своей природе должны включаться и выключаться в одно и то же время и даже часы, предусмотренные заранее (например, общественное освещение, время смены тарифов и т. д.) Сейчас же автоматизация проникает в область переключений автоматических выключателей СН, состояние которых определяет топологию сети (отключение поврежденных участков, включение вспомогательного питания и т. д.)
Централизованное телеуправление потребительских аппаратов. Некоторые потребительские аппараты должны включаться в заранее определенные часы. К ним относятся установки освещения улиц или витрин, приборы нагрева воды и других потребителей, включаемые в часы «провала графика нагрузки», и, очевидно, счетчики с несколькими тарифами (или при изменении тарифа). Первой идеей было управлять ими с помощью индивидуальных часов. Однако для этого нельзя использовать синхронные часы, точность работы которых зависит от частоты, поскольку любой перерыв в поставке электроэнергии вызывает сдвиг в работе этих часов, тем более что в воздушных распределительных сетях некоторые перерывы в электроснабжении могут длиться в течение нескольких часов. Даже простое сложение времен запаздывания срабатывания устройств повторного включения (быстрого или медленного) вызывает неприемлемые сдвиги в работе.
В некоторых сельских сетях используют реле астрономического времени, для которых часы работы в воскресенье отличаются от часов работы в обычные дни. Однако оказалось целесообразным заменить эти часы одними часами (центральными, которые легко контролировать) при условии, что будет найдена простая система связи для передачи приказов между центральным управляющим пунктом и реле пользователей. Для этого были разработаны различные типы централизованного управления.
Что выбрать — индивидуальные часы или специализированную систему управления—зависит от их стоимостей. Стоимость часов (покупка плюс издержки на эксплуатацию) пропорциональна их числу, а в стоимость централизованного управления входит значительная по величине постоянная составляющая. И только в том случае, когда в сети, обслуживаемой подстанцией ВН/СН, имеется достаточно большое число управляющих реле для запрограммированных потребительских аппаратов, предпочтение отдается установке централизованного управления (это число на практике достигает нескольких сотен). Централизованное телеуправление развивается прежде всего в больших городах.
Центральное управление подстанциями ВН/СН. Распределительные сети разбиваются на довольно обширные зоны, представляющие собой эксплуатационную единицу, — во Франции это так называемые Центры распределительных сетей. Каждая из этих зон обслуживается большим или меньшим количеством подстанций ВН/СН (десятки или несколько десятков), которые могут в общем случае оказывать взаимопомощь (некоторые отходящие линии СН могут быть пересоединены с одной подстанции на соседнюю при аварии на соответствующем фидере).
Переключения, которые необходимо осуществить при аварии в какой-либо точке сети, относятся прежде всего к автоматическим выключателям на отходящих фидерах СН подстанций ВН/СН, а затем (если таковые имеются) к автоматическим выключателям СН подстанций СН/СН или СН/НН; после этого эти переключения должны быть дополнены, особенно в сельских сетях, переключениями выключателей нагрузки подстанций СН/НН и воздушных выключателей (размещенных на воздушных линиях). Качество обслуживания (имеется в виду непрерывность питания) зависит в сильной степени от быстроты этих переключений.
Можно добиться ускорения переключений с помощью централизованного телеуправления при одновременной централизации получаемой информации по каналам телесигнализации и телеизмерений.
Осуществление автоматизации эксплуатации сети СН тем легче, чем ближе расположены подстанции, как, например, в зонах с большой плотностью нагрузки (в городских промышленных и жилых зонах). Часто в этих зонах кроме автоматических выключателей на отходящих фидерах СН подстанций ВН/СН вдоль сети распределены автоматические выключатели СН; при этом телеуправление будет эффективным только в том случае, если эти выключатели СН могут быть также оснащены телеуправлением, что усложняет установку из-за введения большого числа необходимых телефонных связей.
Линии, используемые для сигналов или телесигнализации и телеизмерения, так и телеуправления, обычно телефонного типа; их выполняют или в виде кабелей, проложенных между Центром управления и управляемыми подстанциями, или в виде цепей, сдаваемых в наем Министерством почт и телеграфа.
Телефонная связь должна постоянно обслуживаться эксплуатационными или ремонтными бригадами, которые работают на этой линии, что требует создания связей по радио между станцией центрального пункта и подвижными станциями, смонтированными на машинах ремонтных бригад (рис. 3.23).
Информация, получаемая в Центре управления, содержит в себе сведения о:
сигнализации о всех автоматических выключателях СН при каждом их срабатывании (следовательно, для каждого момента времени известна реальная топология сети СН);
телеизмерениях величин (напряжений, токов, активных и реактивных мощностей), относящихся к каждой подстанции ВН/СН; их число достаточно для того, чтобы электрическое состояние каждой из них

Рис. 3.23. Принципиальная схема связей между центральным бюро управления и подстанциями ВН/СН или СН контролируемой распределительной сети;
ЦУ — центр управления; Л, В, С, D, E — подстанции; РБ — ремонтная бригада;     основные
магистрали СН;     телефонные связи;— ■ — связи по радио
было вполне определено (например, напряжение на сборных шинах, токи на наиболее нагруженных фидерах, активные и реактивные мощности, выдаваемые трансформаторами ВН/СН);
работе аппаратов, обеспечивающих защиту сети (реле).
Если все эти величины доступны персоналу или автоматическим приборам управления, то не обязательно постоянно осуществлять их контроль. Необходимо выбирать те из величин, которые указываются на измерительных и регистрирующих приборах, а также те величины, которые регистрируются или хранятся, например, на телетайпе.
Для автоматической работы сети необходимо, чтобы логический орган мог обрабатывать получаемую информацию и с помощью предварительно разработанных программ мог выработать команды на осуществление необходимых переключений в сети. Этот орган может быть блоком логических устройств или небольшой ЭВМ. Контроль переключений, являющихся результатом работы местных автоматических устройств защиты или телеуправления, должен постоянно выполняться персоналом Центра управления. Это осуществляется с помощью настенной мнемонической схемы, данные которой освещаются благодаря работе в реальном времени ЭВМ, и с помощью консолей визуализации, где по желанию можно заставить появиться реальную схему той или иной подстанции.

Рис. 3.24, Схема установки Центра управления и управляемых подстанций ВН/СН
Рис. 3.24 дает схематическое представление об аппаратуре, необходимой для управления сетью СН в соответствии с только что данным описанием.