Актуальные задачи транспорта и распределения электроэнергии. Часть I.

Общая характеристика единой энергосистемы России

Единая энергосистема (ЕЭС) России — основной объект электроэнергетики страны — представляет собой комплекс электростанций и электрических сетей, объединенных общим режимом и единым централизованным диспетчерским управлением. Переход к такой форме организации электроэнергетического хозяйства обеспечил возможность наиболее рационального использования энергетических ресурсов, повышения экономичности и надежности электроснабжения народного хозяйства и населения страны [1].

Суммарная установленная генерирующая мощность России на июль 2008 г. составляла 216 000 МВт, располагаемая — 188 000 МВт [2].

На конец 2009 г. общая установленная мощность электростанций ЕЭС России составила 211 845,7 МВт, увеличение за счет вводов нового и модернизации старого оборудования — 1377,3 МВт.

Высоковольтные линии электропередачи напряжением 220 кВ и выше составляют основную системообразующую сеть ЕЭС. В целом по Российской Федерации протяженность линий электропередачи всех классов напряжений составляет около 3000 тыс. км, в том числе системообразующая сеть — примерно 160 тыс. км. Наиболее обширную и при этом наиболее густую часть сети сверхвысокого напряжения составляют линии мощностью 110 кВ суммарной протяженностью 300 тыс. км.

Управление гигантским, синхронно работающим объединением, достигающим с запада на восток 7000 км и с севера на юг более 3 000 км, представляет собой сложнейшую инженерную задачу, не имеющую аналогов в мире.

В настоящее время единая национальная электрическая сеть (ЕНЭС) России по функциональному принципу разделена на 13 подразделений: федеральную сетевую компанию (ФСК ЕЭС), на которую возложено управление в основном системообразующей сетью, и 12 межрегиональных распределительных сетевых компаний (МРСК), осуществляющих через свои региональные филиалы поставку электроэнергии непосредственно ее потребителям [3]. На балансе ОАО «ФСК ЕЭС» находится 305 линий электропередачи напряжением 330 кВ и выше протяженностью 43,7 тыс. км [4].

В соответствии с «Генеральной схемой размещения объектов электроэнергетики до 2020 г.» для решения стоящей перед страной задачи по созданию высокоэффективной энергетической базы развития экономики России предусматривается снижение на 51,8 ГВт действующих генерирующих мощностей, которые свой ресурс отработали, в том числе 47,8 ГВт на ТЭС и 4 ГВт на АЭС. Все действующие ГЭС сохраняются в эксплуатации, так как большую часть стоимости их составляют гидротехнические сооружения (80%) и затраты на восстановление устаревшего оборудования ГЭС сравнительно невелики. При этом потребность в установленной мощности электростанций России должна составить 246 ГВт на уровне 2010 г., 298 ГВт — в 2015 г. и 347 ГВт в 2020 г. С учетом остающейся в эксплуатации установленной мощности действующих электростанций потребность во вводах генерирующих мощностей, включая вводы для замены на существующих электростанциях, для базового варианта в период 2006–2020 гг. в целом по России составят 186 ГВт.

Для реализации максимального варианта дополнительно потребуется ввести еще 50 ГВт генерирующей мощности. При этом установленная мощность электроэнергетики России в базовом сценарии увеличится в 1,6 раза. Согласно «Генеральной схеме размещения объектов электроэнергетики до 2020 года», предстоит построить 38,4 тыс. км высоковольтных линий электропередачи для выдачи мощности с новых объектов электроэнергетики и 27,8 тыс. км высоковольтных линий для усиления межсистемных связей и повышения надежности электроснабжения потребителей, в том числе 11,5 тыс. км в 2007–2010 гг. [5–8].

Текущее состояние экономической эффективности электрических сетей России

4 июня 2008 г. Президент Российской Федерации подписал указ № 889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики» [9]. Согласно этому указу, в целях снижения энергоемкости валового внутреннего продукта РФ, обеспечения рационального и экологически ответственного использования энергии и энергетических ресурсов энергоемкость российской экономики к 2020 г. должна быть снижена на 40% по сравнению с 2007 г.

В 2008–2009 гг. Президент поручил Правительству РФ принять меры по техническому регулированию, направленные на повышение энергетической и экологической эффективности в электроэнергетике, строительстве и ряде других отраслей.

До 1 октября 2009 г. Правительство РФ должно было внести в Государственную Думу Федерального Собрания Российской Федерации проекты федеральных законов, направленных на усиление ответственности компаний за несоблюдение нормативов допустимого воздействия на окружающую среду в целях стимулирования перехода на энергосберегающие и экологически чистые технологии. Данный указ Президента РФ является руководящим для всех электро-сетевых компаний России на ближайшие десять лет, в течение которых предстоит повысить эффективность транспорта и распределения электроэнергии до уровня промышленно развитых стран. Это довольно сложная задача, поскольку в настоящее время потери электроэнергии в сетевом комплексе ЕЭС России составляют ≈15% [10], то есть находятся на уровне электрических сетей таких стран Африки, как Берег Слоновой Кости, Сенегал, Камерун. Для решения аналогичной задачи Германии потребовалось тридцать лет, Японии — двадцать пять [11, 12]. Отметим, что указанные данные нельзя считать полными, поскольку не все сетевые компании предоставляют сведения о потерях [13], а автоматизированные системы коммерческого учета электрической энергии только начинают внедряться [4].

Высокий уровень потерь является индикатором низкого качества электроэнергии в электрических сетях России, свидетельствующим о существенном превышении допустимых значений показателей качества электроэнергии (ПКЭ) по ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

В качестве примера в таблице 1 даны некоторые результаты мониторинга режимов работы энергосистем по напряжению, выполненного силами Системного оператора и сетевых компаний на шинах подстанций Востока, Сибири, Урала и Центра, Юга [14]. В таблице 2 показаны результаты измерений гармоник напряжения на некоторых подстанциях Сибири, Урала и Центра, выполненных специалистами ВНИИЭ [15]. Аналогичная картина наблюдается по коэффициентам несимметрии напряжений и другим ПКЭ [15].

Потери электроэнергии и ее качество — две взаимосвязанные компоненты, два основополагающих показателя, определяющих экономику электрической сети, или экономическую эффективность транспорта электроэнергии от генераторов до потребителей.

Причина низких экономических показателей электрической сети кроется в дефиците средств управления потоками мощности и свидетельствует о длительной ориентации сетевого строительства на экстенсивный путь развития. Задачи, поставленные указом Президента РФ, не могут быть решены в установленные сроки без решительной переориентации на интенсивный путь развития сетей, то есть ликвидацию дефицита средств управления потоками мощности в сетях всех классов напряжения.

В условиях, когда в сетях ЕЭС России количество современных компенсирующих устройств исчисляется единицами [15, 20, 21], фильтрокомпенсирующие, фильтросимметрирующие, фазосдвигающие устройства практически отсутствуют, а комплексной программы их разработки и внедрения в сетях всех классов напряжения не существует, трудно рассчитывать на коренное изменение ситуации в деле повышения энергетической эффективности российской электроэнергетики.

Технологии энергосбережения в электрических сетях

Рассмотрим проблему энергосбережения в электрических сетях России с позиции задачи, вытекающей из указа Президента Российской Федерации № 889, — снизить потери электроэнергии к 2020 г. на 40% по сравнению с 2007 г.

Технологии реализации этой задачи в условиях транспорта электроэнергии по Единой электроэнергетической сети (ЕНЭС) России посвящены работы [22–24].

Сущность этой технологии состоит в следующем:

1. Потоки энергии в ЕНЭС распространяются не только по запланированным линиям, но и по обширным многослойным трассам с десятками линий электропередачи разной пропускной способности. Сетевые трассы потоков, а не отдельные линии, являются фактическими электропередачами от генераторов к центрам нагрузки.
2. Современные сети 110–750 кВ обеспечивают две сетевые функции: транспорт электроэнергии от поставщиков к потребителям и ее распределение на обширных территориях по потребителям с переходом к сетям низших классов напряжения. Параметры воздушных линий таковы, что для транспортировки предназначены верхние слои сетей, образованные мощными линиями класса 330, 500 или 750 кВ. Распределение энергии призваны выполнять ниже расположенные слои сети, состоящие из среднемощных и маломощных линий класса 220 и 110 кВ.
3. По мере приближения к режимам максимальных нагрузок все более проявляются сетевые негативные явления в виде системных аварий, внезапных отключений потребителей в районных сетях, значительные сетевые потери и чрезмерные отклонения и колебания напряжения. Одна из объективных причин указанных явлений — неадекватные потоки активной мощности в сетях 220 и 110 кВ. Так названы значительные составляющие транспортных потоков верхних слоев, ответвляющиеся через автотрансформаторы связи в средние и нижние слои. С помощью фазосдвигающих устройств (кросс-трансформаторов [22] или квадратурных бустеров [25]) оказывается возможным эти потоки вернуть в верхний слой сети. Как это повлияет на энергосбережение?

• Перевод неадекватных потоков активной мощности в верхние слои сети уменьшит потери в сетях 220 кВ в два раза — с 4 до 2%, то же и в сетях 110 кВ: с 5 до 2,5%. При этом, естественно, такой перевод потоков несколько увеличит потери в сетях 330–750 кВ, но уже существенно меньше — с 1 до 1,2%. В итоге суммарные потери в сетях 110, 220, 330, 500 и 750 кВ уменьшатся на 40%, т. е. в 1,67 раза. Таким образом, задание по снижению потерь на транспортировку и распределение электроэнергии будет выполнено. Для этого потребуется установить на части подстанций 500/220 кВ порядка 80 кросс-трансформаторов класса 220 кВ плюс выключатели и разъединители к каждому из них. По предварительным оценкам, за счет экономии потерь срок окупаемости каждой из установок составит один-два года.
• Для устранения некоторой части неадекватных транспортных потоков в настоящее время размыкают контуры сетей 110 и 220 кВ. Не менее существенно, чем рассмотренное снижение потерь, и то, что вследствие перевода неадекватных потоков в сети 330–750 кВ отпадает необходимость в размыкании контуров [22].

Между аварийностью и неадекватными потоками также прослеживается связь. При аварийном отключении одной из магистральных линий большая часть ее потока перебрасывается в относительно густую сеть средне- и маломощных линий. Однако эти линии еще до момента аварии оказываются загруженными неадекватными транспортными поток-ми, а часть из них — выведенными из работы до аварии при плановом размыкании контуров сети. В этих условиях при определенной конфигурации слабого участка сети нарастающая в соответствии с суточным графиком нагрузка быстро переводит перегруженный участок и его окрестности в режим лавинообразного развития системной аварии типа «блэкаут» [22].

С 60-х годов в России проводились исследования повышения качественных характеристик сети с помощью принудительного перераспределения потоков активной мощности путем применения продольно-поперечного регулирования, а затем специальных трансформаторов: двухкаскадных (фазосдвигающих) и однокаскадных (кросс-трансформаторов). Были определены типовые статистические характеристики российских сетей и возможный уровень снижения потерь. Для широкого обсуждения этого вопроса создан специальный Интернет-ресурс [24].

В последние годы в целях исследования потоков в сплошных средах используется хорошо разработанный физиками анализ векторных функций математического поля — векторный анализ. Он позволил однозначно определить оптимальную обобщенную конфигурацию сети, в которой транспортные потоки активной мощности протекают только по верхнему слою сети. После такого общего вывода был произведен обзор конфигурации сетей развитых стран с целью поиска наиболее приближенной к российским условиям. Обзор показал безусловный приоритет сети Великобритании, подробная информация о которой может быть получена с сетевого ресурса компании National Grid http://www.nationalgrid.com/uk/electricity /ссылка утеряна/. Там же, в частности, представлен семилетний план развития национальной сети Великобритании до 2014 г.

Сеть Великобритании по трассам основных потоков напоминает обширные участки сети России, если совместить центр нагрузки Лондон с центром нагрузки Москвой, а удаленный участок британской сети с сетью Вологда-энерго или Пермь-энерго и др. При этом средняя мощность потоков сети Великобритании будет не меньше, а существенно больше мощности аналогичных потоков центра России в сторону Москвы, а верхний уровень напряжения существенно меньше. На мировом уровне выигрышно выделяются две сетевые особенности. Первая: верхний транспортный слой британской сети состоит из двухцепных ВЛ 400 кВ, а не одноцепных ВЛ 330, 500 и 750 кВ, как в сетях России и Северной Америки. Две цепи имеют общие опоры, благодаря чему полоса отчуждения двухцепных ЛЭП та же, что и у одноцепных. Вторая особенность — повсеместное применение квадратурных бустеров класса 400 и 275 кВ, двухкаскадных фазосдвигающих трансформаторов последнего поколения. Они используются для управления самыми мощными и среднемощными потоками активной мощности, в том числе и в послеаварийных состояниях сети [25].

Некоторые энергетики предлагают и другой вариант энергосбережения в сети — снизить потери путем оптимизации потоков реактивной мощности [11, 12, 26, 27]. Но этот путь дает сколь-нибудь заметные результаты толь-ко в условиях сети с низким уровнем оснащения средствами компенсации реактивной мощности, что имеет место в России, когда не выполняются основные требования по качеству напряжения и правилам компенсации реактивной мощности: напряжение должно поддерживаться на оптимальном уровне с до-пуском 5–10%, а реактивная мощность должна компенсироваться в местах ее потребления.

Заключение

В настоящее время в Единой национальной электрической сети (ЕНЭС) России сложилась критическая ситуация с обеспечением качества электроэнергии. Низкое качество электроэнергии в ЕНЭС стало фактором, тормозящим экономическое развитие страны, и, как следствие, может стать естественным ограничителем дальнейшего роста экономики России.

Не выполняется Федеральный закон № 250 от 04.11.2007 «О внесении изменений в от-дельные законодательные акты Российской Федерации в связи с осуществлением мер по реформированию единой энергетической системы России» (принят ГД ФС РФ 18.10.2007) в части статьи 38 п. 1, устанавливающего ответственность субъектов электроэнергетики, обеспечивающих поставки электрической энергии потребителям, за ее качество в соответствии с требованиями технических регламентов.

Проблема низкого качества электроэнергии повышает вероятность сбоев и аварий в энергоснабжении, непосредственно затрагивает не только предприятия энергетической отрасли, но и всех потребителей электроэнергии, а также региональные и местные администрации. Общее требование к электрической энергии как товарной продукции заключается в том, что любые технические средства, получающие питание от электрических сетей, должны нормально функционировать в соответствии с их назначением. Для этого в государственном стандарте ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» установлен комплект показателей и норм качества электрической энергии, характеризующих отклонения напряжения, частоты и формы кривой напряжения от установленных значений. Опасность электрической энергии как товара обусловлена тем, что несоблюдение требований к ее качеству на зажимах технических средств, подключенных к электрической сети, может привести к нарушениям функционирования и выходу их из строя.

Назрела необходимость принять Технический регламент с четко установленными параметрами качества электроэнергии. Проект общего технического регламента «Об электромагнитной совместимости», включая правила и процедуры технического регулирования качества электроэнергии в электрических сетях общего назначения, внесенный в Государственную Думу депутатами В. Л. Горбачевым и В. А. Язевым 24 января 2005 г., заблокирован Экспертной ко-миссией Минпромэнерго РФ по проведению экспертизы общего технического регламента «Об электромагнитной совместимости» 05 июня 2006 г. [28].

Из одиннадцати показателей качества электро энергии по ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электро-снабжения общего назначения» выдерживается только один показатель — отклонение частоты. Фактические потери в российских электрических сетях по разным оценкам достигают 13–15%, а в отдельных регионах 30–40%. Причем за последние 10 лет эти потери в сетях всех классов напряжения возросли примерно на 3%. Ежегодный ущерб от низкого качества электроэнергии превышает объемы инвестиций, предусмотренные пятилетней программой развития электроэнергетики России.

Проблема качества электрической энергии, подаваемой энергоснабжающими организациями потребителям всех категорий, приобрела в настоящее время особую остроту в различных регионах страны, так как без решения этой проблемы невозможно устойчивое развитие большинства отраслей, особенно в условиях присоединения Российской Федерации к Всемирной торговой организации, а также обеспечение конституционных прав граждан. Это тем более актуально в настоящее время, когда начинается реализация «Генеральной схемы размещения объектов электроэнергетики до 2020 года». Необходима Федеральная целевая программа «Энергоэффективность и качество транспорта и распределения электроэнергии», ориентированная на решение проблемы повышения энергоэффективности и качества электроэнергии в электрических сетях России до уровня экономически обоснованных норм, нужно определить источники ее финансирования и сроки выполнения.

В рамках реализации этой программы должны быть решены следующие приоритетные задачи:

1. Законодательное установление минимально необходимого объема требований к электромагнитным помехам, характеризующим качество электроэнергии в электрических сетях общего назначения.
2. Законодательная конкретизация правил и процедур, устанавливающих ответственность субъектов электроэнергетики, обеспечивающих поставки электрической энергии потребителям, за ее качество в соответствии с требованиями технических регламентов и иными обязательными требованиями.
3. Нормативное установление требований к минимально необходимым электромагнитным помехам в электрических сетях общего назначения.
4. Повышение значимости органов государственного контроля как эффективного инструмента, обеспечивающего соблюдение обязательных требований к электроэнергии в части ее качества и аудит потерь.
5. Поддержка отечественных инновационных разработок в области средств повышения качества электроэнергии в целях минимизации зависимости электроэнергетики России от импорта электроэнергетического оборудования.

Первые три задачи должны решаться в рамках общего технического регламента «Об электромагнитной совместимости» (ТР ЭМС). Однако принятие закона о ТР ЭМС задерживается, что противоречит цели ФЗ № 184 от 27 декабря 2002 г. «О техническом регулировании» (с изменениями от 9 мая 2005 г., 1 мая, 1 декабря 2007 г., 23 июля 2008 г., 18 июля, 23 ноября, 30 декабря 2009 г., 28 сентября 2010 г.) — защите российского рынка от продукции, представляющей опасность для имущества и здоровья граждан, имущества юридических и физических лиц и национальным интересам России в области энергобезопасности.

Четвертая приоритетная задача — переориентация органов государственного контроля на превентивную деятельность по соблюдению субъектами электроэнергетики, обеспечивающими поставки электрической энергии потребителям, обязательных требований к электроэнергии в части ее качества. Для этой цели необходимо перейти к применению новых счетчиков электроэнергии с коррекцией их показаний в зависимости от характеристик качества электроэнергии, то есть ввести мониторинг качества электроэнергии и аудит потерь в точках ее коммерческого учета под надзором органов госконтроля. Государственный контроль проводится, как правило, с определенным запаздыванием, поэтому все меры в отношении контрафактной продукции и ее поставщиков носят корректирующий, а не профилактический характер. Работа органов государственного контроля в указанной сфере должна подкрепляться экономически-ми методами воздействия на поставщиков электроэнергии низкого качества, стимулирующими поставщиков электроэнергии к проведению мероприятий по обеспечению надлежащего качества электрической энергии. Суть этих предложений состоит в автоматическом уменьшении тарифа за проданную электроэнергию при ее низком качестве.

Решение четырех рассмотренных приоритетных задач является в основном прерогативой органов государственной власти России и в случае их реализации составит правовую основу построения гармоничной системы управления качеством электроэнергии в электрических сетях нашей страны. Вместе с тем необходимо отметить, что сколь совершен-ной ни была бы правовая основа указанной проблемы, она не может быть решена без со-временных специальных электротехнических устройств, предназначенных для повышения качества электроэнергии в электрических сетях и минимизации потерь.

Отсюда вытекает пятая приоритетная задача — поддержка инновационных разработок отечественной науки и производства в области средств повышения энергоэффективности и качества транспорта и распределения электроэнергии в целях минимизации зависимости электроэнергетики России от импорта электроэнергетического оборудования.

Выход из критической ситуации в сфере повышения энергоэффективности и качества транспорта и распределения электроэнергии невозможен без активной, направляемой и жестко контролируемой государством энергосберегающей политики, опирающейся на скоординированные действия органов государственной власти, научных организаций и предприятий электроэнергетической отрасли России.

Выводы

• Задача подъема энергетической и экологической эффективности российской электроэнергетики в свете указа Президента РФ № 889 от 4 июня 2008 г. является ключевой проблемой российской экономики.
• Радикальное решение по минимизации потерь в электрических сетях России до физически обоснованного уровня возможно только на основе ликвидации неадекватных транспортных потоков в распределительных сетях путем широкого применения фазосдвигающих устройств.

Соответствующие дополнения и изменения должны быть внесены в Положения о технической политике ФСК и МРСК и создана постоянно действующая рабочая группа для координации работ по минимизации потерь.

• Для реализации задачи повышения энергетической и экологической эффективности российской электроэнергетики в сроки, установленные указом Президента РФ № 889 от 4 июня 2008 г., необходима федеральная целевая программа «Энергоэффективность и качество транспорта и распределения электроэнергии».