174034 (Планетарная электроэнергетическая система)

Планетарная электроэнергетическая система

Электроэнергетические системы (ЭСС), появившиеся в конце XIX — начале XX века как объединения для совместной работы нескольких источников и множества потребителей электроэнергии, в силу объективных причин на протяжении уже больше сотни лет продолжали укрупняться. Современные Единые электроэнергетические системы отдельных государств насчитывают в своем составе сотни и даже тысячи разного вида параллельно работающих источников электроэнергии, которой снабжаются миллионы разного рода потребителей на обширных территориях. Для такой совместной, параллельной работы требуется создание разветвленной системообразующей сети линий электропередачи (ЛЭП). Суммарная длина таких сетей во всем мире достигает нескольких миллионов километров. Причем в отдельных странах они настолько «густые», что системы или отдельные их части с подобной сетью носят название «концентрированных», в которых имеющиеся линии электропередачи обеспечивают транспорт и распределение электроэнергии в любых реально возможных (нормальных, ремонтных и аварийных) режимах работы системы.

Объективной предпосылкой укрупнения ЭЭС является рост их технико-экономической эффективности по сравнению с отдельно работающими электростанциями. И чем крупнее объединение электрических станций и нагрузок, тем выше эффект, который складывается из многих составляющих, основными из которых, как известно, являются:

 снижение требуемой установленной (располагаемой) генераторной мощности за счет совмещения максимумов нагрузки в суточном и сезонном разрезах, а также из-за различия в климатических условиях на больших территориях;

 снижение величины оперативного резерва из-за возможности взаимопомощи электростанций друг другу в случае крупных аварий на отдельных из них;

 возможность оптимизации режимов работы системы по критерию экономичности выработки и распределения электроэнергии, а также по критерию экологичности.

Указанные составляющие настолько существенны, что объединение электроэнергетических систем продолжает осуществляться не только внутри отдельных государств, но и на межгосударственном уровне. В настоящее время совместно работают ЭЭС стран Западной Европы, объединены ЭЭС США и Канады и др. Известны проекты связывания энергосистем стран разных континентов: Европы и Африки, Азии и Америки и т.д. Расчеты надежности и экономической эффективности, как правило, обнаруживают положительные аспекты межгосударственных электроэнергетических объединений. Представляется целесообразным дать оценку максимально возможного технико-экономического эффекта в случае формирования планетарной электроэнергетической системы. Единая ЭЭС Земли даст наибольший эффект в части совмещения максимумов нагрузок в течение суток (24-часовой цикл!), совмещения месячных максимумов Северного и Южного полушарий, в которых зима и лето наступают в противофазе, а также взаимопомощи ЭЭС при крупной аварии в одном или нескольких регионах планеты. Но одновременно станет ясной и цена получения такого эффекта в виде объемов и сложностей необходимого для этого сетевого строительства, проблем управления ЕЭЭС Земли, Важно количественно оценить, хотя бы в первом приближении, указанные эффекты и затраты. Это позволит представить масштабы выгодности для человечества процесса глобализации электроэнергетики, охарактеризовать степень различных аспектов полезности соответствующих действий в данном направлении.

Выполнение такого «футурологического» исследования оказалось возможным благодаря наличию разработанной в Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН (г. Иркустск) имитационной модели оценки надежности большой сложной современной электроэнергетической системы (название ПВК — программно-вычислительного комплекса — «ЯНТАРЬ»). Рабочие характеристики «ЯНТАРЯ» таковы, что позволяют учесть все существенные факторы, влияющие на надежность ЭЭС. ПВК позволяет проводить оптимизацию структуры и параметров ЭЭС по фактору надежности электроснабжения потребителей (обычно по заданному нормативу). Оптимизация осуществляется в интерактивном режиме путем выбора необходимых располагаемых мощностей в энергоузлах и пропускных способностей связей между ними. Конфигурация расчетной схемы для данных расчетов может быть любой. Нагрузки в расчетных энергоузлах представляются характерными суточными графиками, графиками месячных максимумов нагрузки и, кроме этих регулярных колебаний, — нормальным законом распределения учитываются случайные изменения нагрузки. Функционирование генераторных мощностей моделируется с учетом их располагаемых мощностей, аварийности и норм на проведение плановых (капитальных, средних и текущих) ремонтов. То же самое имеет место относительно линий электропередачи — учитываются их пропускные способности в прямом и обратном направлениях, аварийность в зависимости от длины ЛЭП и потери мощности в них. Нестационарность потоков случайных событий в энергосистемах в течение года учитывается заданием характеристик оборудования по периодам года (сезонам или помесячно). Различные расчетные состояния системы формируются методом статистического моделирования. Режимы этих состояний оптимизируются по критерию обеспечения баланса мощности и минимизации недостатков мощности в дефицитных режимах.

Цель оптимизации ЭЭС по надежности исследуемого варианта развития системы — обеспечение нормативного уровня надежности во всех узлах, где имеется нагрузка. За нормативный уровень надежности принята вероятность бездефицитного энергоснабжения в энергоузлах на уровне Р = 0.9996, соответствующая общей длительности дефицитных состояний в системе в среднем 3.5 ч/год. Система, сформированная с учетом фактора надежности и основных режимных требований, может считаться оптимальной (рациональной) в целом.

Расчеты надежности ведутся для каждого часа расчетного периода, равного, как обычно, году. По результатам этих расчетов вычисляются ежемесячные и годовые показатели надежности исследуемой электроэнергической системы. Для более уверенной верификации и валидации полученных результатов было решено исследовать возможные эффекты для ситуации работы ЭЭС на земном шаре на уровне 1990 г., для которого известны все основные исходные данные, а также фактически установленные генераторные мощности и нагрузки по регионам Земного шара.

Методика оценки эффектов от объединения включает в себя выполнение расчетов двух видов:

оптимизация надежной работы ЭЭС стран и континентов при их (ЭЭС) раздельном функционировании;

оптимизация надежной работы ЭЭС Земли в виде единой системы.

Сопоставление результатов двух расчетов позволяет выявить различия в требуемых для надежного покрытия нагрузки располагаемых генераторных мощностях, необходимых пропускных способностях системообразующих связей и ряд других моментов.

Ввиду сложности для решения поставленной задачи приходится принимать ряд упрощений и допущений, которые тем не менее не смогут помешать получению принципиально достоверных оценок.

Для целей исследования существующие ЭЭС всех государств компонуются в расчетные узлы, каждый из которых принадлежит одному из часовых поясов. Для сокращения числа узлов в меридиональном направлении принимается 12 часовых поясов с разницей между ними в 2 ч. В широтном направлении узлы подразделяются на принадлежащие Северному или Южному полушарию.

Расчетная схема ЕЭЭС Земного шара

Каждый из узлов представляется «концентрированным», то есть с достаточными для возможных режимов пропускными способностями внутренних связей. Все узлы для выполнения второго расчета соединяются между собой линиями электропередачи, минимально необходимые пропускные способности которых должны быть определены в процессе расчета. Расчетная схема ЕЭЭС Земли, в результате, была представлена схемой из 26 узлов и 32 связей. На рисунке указаны связи, выбранные исходя из предположения, что межсистемные ЛЭП связывают географические центры принятых энергоузлов. Длины этих ЛЭП находятся в диапазоне 1500-7500 км. Связи большей длины на земном шарике вряд ли потребуются, поскольку выбраны с запасом. По отдельным конкретным ситуациям возможны значительные сокращения этих длин. Произвольно выбирается один из множества возможных вариантов конфигурации сети.

При моделировании работы связей учитывается их аварийность и потери мощности и энергии в них. Разнесение электропотребления и нагрузки по узлам выполнено пропорционально численности населения и величине удельного электропотребления в соответствующем регионе. Для большей наглядности получаемых результатов характерный суточный график нагрузок в относительных единицах принят одинаковым для всех узлов. В неделе принимается пять одинаковых рабочих дней и два выходных дня с нагрузкой, уменьшенной на 20% по сравнению с рабочим днем. Годовой график месячных максимумов в относительных единицах также принят одинаковым для всех узлов, но для узлов Южного полушария он сдвинут на шесть месяцев. Таким образом, если в узлах Северного полушария годовой максимум нагрузки наступает в декабре, то в Южном полушарии — в июне. Учтены и другие факторы функционирования электроэнергетических систем, влияющие на их надежность, например, случайные изменения нагрузки и т.д.

Уровень надежности в расчетах обеспечивался изменением величины генераторной мощности в узлах, а в случае совместной работы еще и выбором необходимых пропускных способностей межсистемных связей.