// Электрика. – 2006. – № 6.– С.8-23.

ВЛИЯНИЕ ПОТОКОВ МОЩНОСТИ В МАГИСТРАЛЬНЫХ ЛИНИЯХ

НА ПОТЕРИ В СЕТЯХ ОАО "ММК"

А. Ю. Коваленко, Н. А. Николаев, В. Б. Славгородский, Г. П. Корнилов

ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат", Магнитогорский государственный технический университет им. Носова

Нагрузочные потери электроэнергии и мощности в ЛЭП и другом силовом оборудовании заводской системы электроснабжения зависят от целого ряда факторов – конструктивных характеристик электроустановки, динамических свойств электропотребления, наличия и режимов работы источников реактивной мощности. Закономерности проявления причинно-следственных механизмов воздействия этих факторов достаточно хорошо изучены.

Обратим внимание ещё на один фактор, влияние которого до последнего времени не подвергалось исследованиям. Это – перетоки мощности в части сети региональной энергосистемы, находящейся в непосредственной электрической близости от системы электроснабжения металлургического предприятия. Если требования к районной энергосистеме (сейчас – к предприятию магистральных электрических сетей, ПМЭС), направленные на обеспечение надлежащего уровня напряжения и качества электроэнергии в сечении поставки, прописаны в статьях договора на электроснабжение, то критерии и условия компенсации негативных последствий для потребителя от режимов перетока мощности в указанных сетях не оговорены ни в одном из действующих нормативных документов. В этом нет особой необходимости для промышленного предприятия c системой электроснабжения, выполненной по разомкнутой схеме и присоединённой к магистральным сетям в одной точке. Вместе с тем, вопросы оценки влияния перетоков мощности на потери энергии и мощности актуальны, если заводская сеть содержит участки с замкнутой конфигурацией и работает параллельно с энергосистемой через два и более удалённых друг от друга узла примыкания.

Электрическая сеть напряжением 110 кВ ОАО "ММК" присоединена к пяти узлам региональной энергосистемы и имеет многоконтурную схему. Между этими узлами располагается системообразующая сеть напряжением 110–220–500 кВ, которая является частью энергетического моста, соединяющего ОЭС Средней Волги с ОЭС Урала, и предназначена для транзитной передачи электроэнергии в больших объёмах.

Если рассматривать высоковольтные сети ОАО "ММК" и ОАО "Челябинское ПМЭС" с позиции ведения технологического режима потокораспределения, то они представляют собой единую электрическую цепь (несмотря на действующее административное деление их по праву собственности хозяйствующих субъектов). На этом основании следует признать реальной передачу энергосистемой некоторой доли транзитной энергии по ветвям замкнутой сети комбината, где она образует уравнительные потоки и участвует в формировании заводских потерь энергии и мощности. Однако факт присутствия уравнительных потоков нельзя обнаружить при помощи измерительных приборов, а отсутствие опытного подтверждения затрудняет определение их размера и вклада в потери.

Тем не менее, наличие уравнительных потоков в сетях комбината можно выявить по косвенным признакам, наблюдая за параметрами потокораспределения в момент перехода от одного установившегося режима энергосистемы к другому. Эксперимент имеет сравнительную наглядность, если он осуществлён в результате крупного изменения, вносимого в схему магистральных сетей или в генерацию одного из основных источников энергии (Троицкая и Ириклинская ГРЭС, станции Волжского каскада). При этом новое потокораспределение в заводских замкнутых сетях приобретает ярко выраженную нетипичность.

Конечно, специально спланировать и провести такой опыт в системообразующих сетях не представляется возможным. Но получить полезную информацию можно и при ретроспективном анализе, изучая режимы, соответствовавшие нештатным схемным решениям. Примером служат зарегистрированные 2 августа 2004 г. в АСДУ ОАО "ММК" три потокораспределения с чётко выделяющимися отличиями в параметрах, последовательно сменившие друг друга за короткое время. Технические причины изменения схемы региональной энергосистемы состояли в отключении на 15 мин и последующем включении ЛЭП напряжением 500 кВ, которая соединяет подстанцию "Магнитогорская" с Троицкой ГРЭС (Тр.ГРЭС); поводом для отключения явилось ложное срабатывание земляной защиты.

Потеря связи на напряжении 500 кВ между станцией и узлом нагрузки привела к 2–3-кратному увеличению потоков мощности в ЛЭП-220 кВ "Тр.ГРЭС – ПС 77", "Тр.ГРЭС – ПС 90", "ПС 77 – ПС 90", "ПС 90 – ПС Магнитогорская" № 1 и № 2 (табл.1).

1. Потоки мощности в линиях 220 кВ энергосистемы в различных режимах

Линия	Потоки мощности, МВт
	Исходная схема (16^10–16^15)	ЛЭП-500 отключена (16^20–16^25)	Схема восстановлена (16^35–16^40)	Расчет режима (16^20–16^25)
Тр.ГРЭС – ПС 77	126	283	122	283
Тр.ГРЭС – ПС 90	141	318	136	319
ПС 77 – ПС 90	64	199	57	199
ПС 90 – ПС Магнитогорская	2х67	2х226	2х60	2х228
ПС 60 – ПС Смеловская	13; 12	1,5; –0,2	15; 13	2х0

Изменившийся режим в энергосистеме имел последствия в замкнутых сетях ОАО "ММК". Во-первых, произошло существенное перераспределение мощности поставки в Магнитогорский промышленный узел (МПУ) между автотрансформаторами подстанций при сохранении её совмещённого значения на прежнем уровне (табл. 2). На 38 % увеличилась загрузка автотрансформатора ПС 77. Вместе с тем в 2,3 раза уменьшился забор мощности через автотрансформатор ПС 60; с 32,5 до 1,5 МВт снизился приём активной мощности через автотрансформатор ПС 30. Отметим, что работа одного из двух имеющихся автотрансформаторов на ПС 30, ПС 60, ПС 77 и ПС 90 принята с целью снижения уровня токов короткого замыкания в высоковольтных сетях комбината и отнесена к нормальным эксплуатационным режимам. Полностью разгрузились ЛЭП-110 кВ "ПС Смеловская – ПС 60», но увеличилось поступление энергии на ПС 90 со стороны Тр.ГРЭС по двум ЛЭП-110 кВ. Здесь общий поток мощности возрос с 32 до 108 МВт. В результате вместо предполагаемого ходом событий роста загрузки автотрансформатора ПС 90 произошло её снижение на 15 %. Во-вторых, в рассматриваемый период электрические нагрузки МПУ и мощность генерации электростанций ОАО "ММК", достигшие уровня соответствен

2. Распределение мощности поставки между автотрансформаторами

Подстанция	Потоки мощности, МВт
	Исходная схема (16^10–16^15)	ЛЭП-500 отключена (16^20–16^25)	Схема восстановлена (16^35–16^40)	Расчет режима (16^20–16^25)
ПС 30	33	1,4	38	-4
ПС 60	52	22	56	19
ПС 77	61	84	65	84
ПС 90	71	62	72	62

но в 870 и 480 МВт, не претерпели каких-либо значительных отклонений, которые могли вызвать глубокие изменения исходного потокораспределения в замкнутой сети комбината. Тем не менее, потоки мощности в линиях 110 кВ характеризуются уже другими значениями, а некоторые из них сменили своё направление на противоположное. Существенные отличия параметров нового заводского потокораспределения от прежнего хорошо видны из табл. 3. Например, постоянно регистрируемая в нормальных режимах отдача мощности от ТЭЦ на ПС 90 теперь сменилась на приём. С 15 до 2–3 МВт снизилась мощность в линиях № 1 и № 2 "ТЭЦ – ПС 77", но в 2,5 раза возрастают потоки в ЛЭП "ПС 90 – ПС 60".

3. Потокораспределение в замкнутой сети 110 кВ ОАО "ММК"

Линия	Потоки мощности, МВт
	Исходная схема (16^10–16^15)	ЛЭП-500 отключена (16^20–16^25)	Схема восстановлена (16^35–16^40)	Расчет режима (16^20–16^25)
ТЭЦ – ПС 77, № 1, № 2	15; 14	4; 3	14; 13	2х1,5
ТЭЦ – ПС 90, № 1, № 2	2х11	2х (-3)	2х7	2х(-1,5)
ПС 90 – ПС 60, № 1, № 2	2х13	2х33	2х13	2х29
ТЭЦ – ЦЭС, № 1, № 2	6; 4	18; 17	2; 0	2х20
ЦЭС – ПС 30, № 1–3	48; 46; 38	55; 54; 43	46; 45; 37	2х63; 44
ПС 87 – ПС 30	37	42	37	43
ПС 30 – ПС 60, № 1, № 2	32; 34	35; 36	25; 27	2х38

Заметные изменения произошли и в потокораспределении реактивной мощности.

Примечательно, что общая картина "смещённого" потокораспределения на мнемосхеме заводской сети полностью совпадает своей направленностью с потоками мощности между системными подстанциями "Магнитогорская" и "Смеловская".

Последующее восстановление исходной схемы региональной энергосистемы после включения в работу ЛЭП-500 "Магнитогорская – Тр.ГРЭС" обосновало возврат к прежнему потокораспределению в замкнутых сетях ОАО "ММК" (см. табл. 3).

Таким образом, фактические параметры трёх установившихся режимов, следовавших один за другим на коротком интервале времени, служат наглядным подтверждением реальности влияния системных перетоков мощности на потокораспределение в заводской замкнутой сети. Поэтому в ведомственных сетях потребителя присутствуют уравнительные потоки мощности системного происхождения, не имеющие прямого отношения к его электроснабжению, искажающие естественное распределение электрических нагрузок предприятия по сети и способствующие увеличению потерь энергии и мощности.

Если рассмотренный пример предоставил материал для качественного описания картины уравнительных потоков в сетях ОАО "ММК", то количественную оценку (в том числе и дополнительных потерь) даёт расчёт по математической модели с предварительным подтверждением имевшего место особого режима потокораспределения.

Совместное протекание уравнительных и нагрузочных токов по сети сопровождается потерями мощности и энергии. Задача состоит в выделении той части потерь, которая обусловлена перетоками транзитной мощности. Формулы для этого выведены в признании следующего предположения. Из трёх составляющих потерь активной мощности, вызванных током I=I₁+I₂ в проводнике с сопротивлением r:

, (1)

первое слагаемое полностью определено током I₁, второе – током I₂, третье – есть результат проявления совместного действия токов I₁ и I₂. Принадлежность первых двух частей потерь установлена однозначно. Третью составляющую предлагается разделить в пропорции токов I₁ и I₂ в общем токе I. Тогда обусловленные уравнительными потоками потери в каждом элементе сети можно определить по формуле

, (2)

где P и Q – активная и реактивная мощности, протекающие по элементу сети с сопротивлением r и состоящие из нагрузочных и уравнительных потоков; U – напряжение; k_p ,k_q – доля уравнительных потоков в общих потоках активной и реактивной мощности.

Формула потерь (2) введена в программу расчёта установившегося режима электроснабжения методом последовательных преобразований схемы замещения сети [1]. Метод допускает векторное представление параметров и присутствие в схеме замещения нескольких балансирующих узлов. Чтобы из общего потокораспределения выделить уравнительные потоки, необходимые для вычисления коэффициентов k_p и k_q, использован приём декомпозиции режима. Для этого перед началом одного из этапов расчёта программа автоматически удаляет из рабочей базы все данные о генерации и электрических нагрузках.

Расчётная схема замещения замкнутых сетей ОАО "ММК" и ОАО "Челябинское ПМЭС" напряжением 110–500 кВ составлена из комплексных сопротивлений. Электрические нагрузки в узлах сети МПУ приняты согласно замерам мощности средствами АСДУ. Электростанции территориальных генерирующих компаний введены в схему эквивалентами балансирующих узлов, детализация заводских электростанций выполнена до отдельных турбогенераторов. Все источники, в том числе и балансирующие узлы, имеют векторное описание

Е_i=½Е_i½<d_i , (3)

где Е_i – напряжение (вектор) в балансирующем узле i (ЭДС источника i); ½Е_i½ – абсолютное значение напряжения в узле i; d_i – угол сдвига вектора напряжения в узле i относительно напряжения узла k, для которого d_k принят равным нулю.

Подбором значения d для балансирующего узла, совмещённого с шинами 220 кВ Троицкой ГРЭС, получены расчётные копии режимов с хорошим приближением к действительным потокораспределениям (см. табл. 1–3). Потокораспределение в замкнутых сетях комбината на момент 16.25 ещё более удалено от экономичного, так как в сравнении с исходным режимом (16.10) имеет приращение потерь активной мощности с 4236 до 4730 кВт, т. е. на 11,7 %.

Потоки мощности, рассчитанные в отсутствие генерации станций и нагрузок, представляют собой совокупность сквозных уравнительных перетоков между балансирующими узлами. Некоторая часть из них (10,5 % от объёма) ответвилась в сети ОАО "ММК", обусловив там потери (собственно от уравнительных потоков и их взаимного действия с нагрузочными потоками) до 9 % от общего значения. Если бы на ПС 30, ПС 60, ПС 77 и ПС 90 находилось в работе по два автотрансформатора, то сквозное сопротивление заводской сети уменьшилось бы в 1,5 раза, способствуя росту уравнительных потоков и, следовательно, дальнейшему увеличению потерь с 430 до 745 кВт (на 73 %).

Установлено, что не все перетоки мощности между балансирующими узлами в энергосистеме сопровождаются образованием больших уравнительных потоков в замкнутых сетях комбината. Транзиты в 400 МВт и более от ОЭС Средней Волги (Бекетово) в направлении ОЭС Урала (Ириклинская и Троицкая ГРЭС) на участке "ПС Смеловская – ПС Магнитогорская" распределяются по параллельным ветвям сети в пропорции: ЛЭП-500 кВ – 95 %, ЛЭП-220 кВ – 4,25 %, ЛЭП-110 кВ – 0,67 %, создавая потери в последних не более 40–45 кВт.

Уравнительные потоки и потери от них на порядок выше, если определяющим является направление поставки энергии по ЛЭП-220 кВ от Троицкой ГРЭС к ПС 77 (ПС 90). Уравнение парной регрессии (4), полученное методом наименьших квадратов [2], соответствует полиному второй степени (рис. 1) и может служить инструментом для практической оценки потерь в пределах пропускной способности линий при работе как на приём, так и на отдачу:

, (4)

где Р_ЛЭП – мощность в ЛЭП-220 кВ "Тр.ГРЭС – ПС 77 (ПС 90)".

Парабола потерь не пересекает нулевую отметку, поскольку при слабой загрузке ЛЭП-220 кВ "Тр.ГРЭС – ПС 77 (ПС 90)" начинают проявлять себя уравнительные потоки, созданные сдвигом векторов напряжения других балансирующих узлов.

Таким образом, по замкнутым сетям 110 кВ ОАО "ММК" протекают уравнительные потоки мощности системного происхождения. Они привносят заметный прирост потерь энергии и мощности (до 9 %), определить которые можно расчётным способом.

Список литературы

1. Игуменщев В. А., Саламатов И. А., Коваленко Ю. П. Расчет установившегося режима системы электроснабжения промышленного предприятия методом последовательного эквивалентирования// Электричество. 1986. № 8.

2. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. М.: Высшая школа, 1982.

Рис. 1. Влияние поперечной составляющей напряжения источника (Троицкой ГРЭС-220 кВ)

на потоки и потери мощности в сети ОАО "ММК"