Розподілена генерація в СЕП

 
Якщо джерела РГ використовуються тільки як резервні джерела живлення, то можна стверджувати, що надійність системи живлення підвищується. Але коли джерела РГ працюють паралельно із системою, то надійність електропостачання споживачів у деяких випадках може знижуватись. Наприклад, в ЕМ, де є достатня кількість джерел РГ і їхня робота не скоординована між собою, буде відбуватися зниження надійності системи. Також, як відзначається в [36], зниження рівня надійності електропостачання може відбуватися при високій концентрації джерел РГ одного типу (наприклад, при концентрації фотогальванічних елементів, потужність яких залежить від інтенсивності сонячного випромінювання).

При цьому досить гостро постає проблема автономної роботи джерел РГ, так звана  проблема енергоостровів [9,28,34]. Джерела  РГ, як правило, не призначені для живлення фрагментів ЕМ самостійно, бо вони не в  змозі підтримувати адекватний рівень якості електричної енергії та можуть наражати оперативний персонал на небезпеку [9]. Тому випадки знеструмлення ЕМ повинні виявлятися пристроями захисту  джерел РГ і останні повинні відключатися від ЕМ [26]. При цьому, враховуючи існуючі в енергосистемах розвинених країн вимоги стандартів, джерела  РГ повинні за 100—300 мс переключитися  на автономне навантаження [18,37]. Це призвело до розвитку досліджень з розробки різних засобів виявлення режимів енергоостровів із залученням як пасивних, так і активних методів. Пасивні методи передбачають проведення замірів напруги або частоти, також розроблено методи, що враховують швидкості зміни цих параметрів. Останні більш надійні, ніж застосування простих реле напруги або частоти, але вони мають «мертві зони» [24]. Активні методи виявлення енергоостровів генерують в мережу тестові сигнали на частоті, що звичайно перевищує промислову, і за виміряними значеннями визначають наявність напруги на живильному фідері. Подібні пристрої в Україні розробляються в Інституті електродинаміки НАН України [35]. Таким чином, можна зазначити, що встановлення джерел РГ призводить до значного підвищення надійності електропостачання лише певних споживачів.

Більш ефективним засобом підвищення надійності електропостачання при  виникненні порушень в енергосистемі є формування енергоостровів, які не обмежуються лише джерелом РГ і автономним навантаженням, а охоплюють певні фрагменти ЕМ із збалансованою генерацією та навантаженням. Вказане рішення дозволяє більш ефективно використовувати встановлену потужність джерел РГ, суттєво підвищити надійність розподільних ЕМ та розширити зону охоплення електроспоживачів. Застосування вказаного варіанту підвищення надійності електропостачання дозволяє на якісно новому рівні вирішити багато відомих проблем, наприклад, відновлення електропостачання знеструмлених споживачів [31]. Але цей варіант потребує серйозного технічного переоснащення ЕМ, встановлення сучасних не досить дешевих технічних засобів, а також розробки відповідних керівних вказівок для оперативного персоналу.

Вплив РГ на проектування та розвиток ЕМ.

У випадку, коли з’являється велика кількість додаткових взаємозв’язків, що характерно для РГ, це серйозно впливає на проектування та експлуатацію розподільних ЕМ, а також на надійність і безпеку системи в цілому [17]. Це вимагає внесення відповідних змін у традиційні методи планування розподільних ЕМ.

По-перше, поява джерел РГ в розподільних ЕМ вносить значно більше невизначеності в прогнозування навантажень, планування та експлуатацію ЕМ. Крім того, джерела РГ при «правильному» розміщенні знижують втрати електроенергії в ЕМ і це може в певній мірі відстрочити або зменшити обсяги необхідних інвестицій у модернізацію та розвиток розподільних ЕМ. Але, якщо місця встановлення і потужність джерел РГ визначені не оптимально, це неминуче призведе до збільшення втрат електричної енергії, недопустимих відхилень напруги в певних вузлах мережі, а також може змінити значення, тривалість та напрямки струмів КЗ. Таким чином, для того, щоб прийняти оптимальне рішення щодо планування розвитку розподільних ЕМ, необхідно зробити точну оцінку впливу джерел РГ на розподільну мережу, тобто повинні бути розроблені відповідні програмні та технічні засоби, які здатні точно оцінити вплив РГ на мережу, визначити оптимальні місця розташування і потужність джерел РГ, роблячи поступове збільшення об’ємів впровадження джерел РГ у розподільних ЕМ безпечним та ефективним.

По-друге, планування розвитку традиційних розподільних ЕМ, здебільшого, охоплює період від 5 до 20 років. Як правило, навантаження електромереж зростає планомірно з кожним роком. Постійно виникають нові вузли навантаження в результаті будівництва нових підстанцій. У зв'язку з обчислювальними проблемами, пов’язаними з розмірністю задачі розрахунку режимів (як правило, розглядаються тисячі вузлів), у випадку, коли число нових генераторних вузлів буде стрімко зростати, виникнуть ускладнення при визначенні оптимального плану розвитку ЕМ (оптимальні програми, що враховують витрати на капітальне будівництво, на технічне обслуговування і мінімальні втрати потужності).

По-третє, у споживачів або незалежних виробників електроенергії, які хотіли б встановити джерела РГ у розподільних ЕМ, будуть виникати протиріччя із енергопостачальними компаніями, що хочуть зберегти існуючий рівень керованості та безпеки ЕМ. Тому встановлення великої кількості джерел РГ в розподільних ЕМ суттєво вплине на структуру самої ЕМ, в результаті чого вона поступово буде зменшувати залежність від транзитної мережі та централізованих електростанцій. З метою забезпечення необхідного рівня безпеки ЕМ та необхідної якості електричної енергії джерела РГ повинні мати можливість гнучкого керування. Таким чином, характеристики ЕМ з традиційними живильними фідерами з однонаправленими потоками зазнають значних змін. При цьому виникне низка проблем, пов'язаних з регулюванням напруги та підтриманням балансу реактивної потужності. Для їхнього вирішення необхідно встановлювати додаткове обладнання для контролю та регулювання джерел РГ, які будуть інтегровані в існуючу розподільну ЕМ. Це пов’язано не тільки з необхідністю модернізації існуючих автоматизованих систем розподілу та обліку електричної енергії, атакожзміни ідеології керування ЕМ і переходу від пасивних до активних систем керування.

Першочергові проблеми, пов’язані із впровадженням джерел РГ в Україні.

 Зважаючи на зазначене, на  шляху широкого застосування  джерел живлення РГ в ЕМ  України будуть виникати певні технічні проблеми. Причому вони будуть різними на різних етапах. На першому етапі, що характеризується наявністю в ЕМ одиничних джерел РГ, як правило, будуть виникати в основному проблеми, що пов’язані із переоснащенням ЕМ.

1. Необхідно не тільки модифікувати існуючі системи РЗ, а й замінити їх на нові. Максимальні струмові захисти, що найбільш поширені в розподільних ЕМ, необхідно замінити на направлені та/або диференційні системи РЗ.
2. Заміна комутаційного обладнання (у зв’язку з збільшенням струмів КЗ).
3. Встановлення відповідних технічних засобів «виділення» джерел РГ у роботу на автономне навантаження (режим енергоостровів).
4. Визначення експлуатаційних схем та розробка технічного забезпечення (пристроїв синхронізації енергоостровів РГ із основною мережею, відповідної автоматики регулювання частоти та напруги тощо) для роботи джерел РГ в режимі живлення певних фрагментів ЕМ при аварії в основній ЕМ.

Коли відносна частка за потужністю встановлених джерел РГ досягне 5—10% або  більше від генерації на централізованих  електростанціях, то настане другий етап розвитку ЕМ з новими проблемами:

1. Невідповідність традиційних підходів до планування і керування усталеними та післяава- рійними режимами ЕМ тим задачам, що виникають при високому ступені впровадження джерел РГ.
2. Забезпечення стійкості режимів роботи розподільних мереж, особливо із значним впровадженням відновлюваних джерел енергії.Проведення оптимізації усталених режимів розподільних ЕМ з високим ступенем впровадження джерел РГ.

Окрім визначених технічних проблем  існує ще одна проблема, яка їм передує - визначення оптимальних місць встановлення та потужності відповідних джерел РГ. Ця проблема вирішується лише за умови застосування системного підходу, що дозволить уникнути нераціонального використання ресурсів та потенційних можливостей джерел РГ.

Визначення оптимальних місць розташування та потужності джерел РГ в розподільних ЕМ.

 Проведені дослідження показують,  що місця встановлення та потужність  джерел РГ суттєво впливають на низку характеристик ЕМ (втрати електричної енергії, рівні напруги у вузлах ЕМ, струми у гілках ЕМ та струми КЗ), що, в свою чергу, впливає на вибір електроенергетичного обладнання, планування та прогнозування режимів роботи тощо. Вказана задача найчастіше формулюється як багато- критеріальна оптимізаційна задача з певними обмеженнями [5,21,33]. Як правило, при цьому мінімізують втрати активної потужності [5] при різних ситуаціях в ЕМ. Маються на увазі обсяги, ступінь концентрації та територіальне розміщення РГ в ЕМ тощо.

Наприклад, в [5] для спрощення розв’язання  та звуження простору пошуку використовується метод чутливості. На підставі розрахунків  коефіцієнтів чутливості системних  шин (СШ), де планується приєднання РГ, до втрат потужності в мережі формується скорочений список СШ - кандидатів на встановлення джерел РГ. Потім для кожної із відібраних СШ моделюється приєднання джерела РГ і формується діапазон його потужності. Системні шини, приєднання до яких забезпечує мінімальні втрати потужності в ЕМ, визначаються як найкраще місце для встановлення джерел РГ визначеної потужності. Проте цей метод не дозволяє враховувати певні існуючі обмеження в ЕМ. Крім того, його застосовування обмежується потребами значних обчислювальних ресурсів.

Частково вказані недоліки вирішено у [33], де для розв’язання задачі визначення місць встановлення та потужності джерел РГ використовуються методи генетичних алгоритмів. При цьому при розв’язанні задачі як обмеження враховуються напруги у вузлах, струми у вітках, а також те, що потужність джерел РГ не повинна перевищувати навантаження вузла. Безперечною перевагою цього підходу є врахування вартості як самих джерел РГ так і електричної енергії. На підставі цих даних здійснюється техніко-економічна оцінка можливих варіантів встановлення джерел РГ на період від 1 до 10 років.

У [21] для вирішення вказаної проблеми використовується матриця коефіцієнтів втрат потужності, що базується на квадратичній апроксимації втрат у лініях ЕМ. Це дозволяє, при прийнятті певних припущень, не перераховувати усталений режим кожного разу. На відміну від [5], при розв’язанні задачі мінімізації втрат потужності при встановленні в мережі РГ не беруться до розгляду потужності джерел РГ, а на відміну від [33], не враховуються витрати, які пов’язані з закупівлею РГ, їхнім встановленням та експлуатацією. При цьому, при визначенні оптимальних місць встановлення та величини потужності джерел РГ розглядаються лише режими в години пікових навантажень - коли втрати максимальні. Це призводить до певних методичних похибок визначення втрат електроенергії.

Таким чином, незважаючи на масштабні  дослідження даної проблеми в  різних країнах, вона не є повністю вирішеною. Зокрема залишається  невирішеною ціла низка питань. У  першу чергу, — це необхідність врахування впливу режимів реактивної потужності, типу джерел РГ (особливо це стосується відновлюваних джерел енергії, при виборі місць встановлення) та «острівних» режимів роботи внаслідок відокремлення РГ від енергосистеми із незбалансованим навантаженням при втраті основного джерела живлення. Розглянуті технічні проблеми та перешкоди, що виникають на шляху впровадження РГ, характерні, насамперед, для електричних мереж України та Росії.

Висновки.

Джерела розподільної генерації мають  різноплановий вплив на електричні мережі. Це стосується не тільки електротехнічного обладнання, систем релейного захисту та автоматики, а також, забезпечення надійності, ефективності електропостачання та якості електричної енергії. Таким чином, впровадження РГ потребує перегляду стратегій керування, організації експлуатації та планування розвитку електричних мереж. При цьому лише застосування системного підходу до розв’язання проблеми впровадження джерел розподільної генерації в електричних мережах дозволить уникнути неефективного використання їхніх можливостей та зниження надійності режимів електричних мереж, що характерне для процесу реформування.

Однією із першочергових задач  у зазначеному аспекті є розробка нових методів визначення оптимальної  потужності та місць підключення  джерел розподільної генерації. Такі методи повинні крім мінімізації втрат  електричної енергії в електромережах, нормалізації рівнів напруги у вузлах, підвищення надійності електроживлення споживачів попередити можливі помилки у плануванні ЕМ та забезпечити ефективне використання джерел РГ.

  ЛІТЕРАТУРА

1. Воропай Н.И. Малая энергетика в рыночной среде: анализ требований и условий развития // Топливно-энергетический комплекс России. - 2003. - № 2. - С. 97-98.

Voropai N.I. Small power engineering in a market environment: analysis of claims and the conditions of

development // Toplivno-energeticheskii kompleks Rossii. - 2003. - № 2. - P. 97-98. (Rus.)

2. ГельфандЯ.С. Релейная защита распределительных сетей - Москва: Энергоатомиздат, 1987. - 368 с.

Gelfand Ja.S. Relay Protection of distribution networks. - Moskva: Energoatomizdat, 1987. - 368 p. (Rus.)

3. Энергетика XXI века: Условия развития, технологии, прогнозы / Л.С.Беляев, А.В.Лагерев, В.В.Посе- калин. Отв. ред. Н.И.Воропай. - Новосибирск: Наука, 2004. - 386 с.

Energy XXI Century: The conditions of development, technology, forecasts / L.S.Beliaev, A.V.Lagerev,

V.V. Posekalin. Responsibl Editor N.I.Voropai. - Novosibirsk: Nauka, 2004. - 386 p (Rus.)

4. Кириленко О.В., Праховник А.В. Енергетика сталого розвитку: виклики та шляхи побудови // Праці Інституту електродинаміки. Спеціальний випуск. - 2010. - С. 10-16.

Kyrylenko O.V., Prahovnyk A.V. Power engineering of sustainable development: challenges and ways of building // Pratsi Instytutu Elektrodynamiky Natsionalnoi Akademii Nauk Ukrainy. Spetsialnyi vypusk. - 2010. - P. 10-16. (Ukr.)

5. Acharya N., Mahat P., Mithulanathan N. An analytical approach for DG allocation in primary distribution network // Electric Power and Energy Systems. - 2006. - Vol. 28. - P. 669-678.
6. Ackermann T., Andersson G., Soder L. Distributed generation: a definition // Electric Power Systems Research. - 2001. - Vol. 57. - P. 195-204.
7. Ackermann T. Distributed resources and re-regulated electricity markets // Electric Power Systems Research. - 2007. - Vol. 77, Issue 9. - P. 1148-1159.
8. Ackerman T., Knyazkin V. Interaction between distributed generation and the distribution network // Transmission and Distribution Conference and Exhibition: Asia Pacific IEEE/PES. - 2000. - Vol. 2. - P. 1357-1362.
9. Ahmed W. Sheta A.F. Optimization of Electric Power Distribution Using Hybrid Simulated Annealing Approach // American Journal of Applied Sciences. - 2008. - Vol. 5. - P. 559-564.
10. Baggini A.B. Handbook of Power Quality // Chichester, England; Hoboken, NJ: John Wiley & Sons. - 2008. - 642 p.
11. CIGRE, International Council on Large Electricity Systems, http://www.cigre.org
12. Chambers A. Distributed generation: a nontechnical guide. PennWell, 2001. - 283 p.
13. Dolezal J., Sautarius P., Tlusty J. The effect of dispersed generation on power quality in distribution system // Quality and Security of Electric Power Delivery Systems. CIGRE/IEEE PES International Symposium. - 2003. - P. 204-207.
14. Dondi P., Bayoumi D., Haederli C., Julian D., Suter M. Network integration of distributed power generation // Journal of Power Sources 106. - 2002. - P. 1-9.
15. Doyle M.T. Reviewing the Impacts of Distributed Generation on Distribution Systems // IEEE Power Engineering Society Summer Meeting. - 2002. - P. 103-105.
16. Dugan R.C., McDermott T.E. Operating Conflicts for Distributed Generation interconnected with Distribution Systems // IEEE Industry App. Magazine. - 2002. - P. 19-25.
17. Dugan R.C., McDermott T.E., Ball G.J. Distribution planning for distributed generation // Rural Electric Power Conference. - 2000. - P. C4/1-Cc4/7.
18. Engineering Recommendation G59/1 - Recommendations for the connection of embedded generation plant to the regional electricity companies’ distribution systems. Electricity Assoc. - 1991.
19. Esposito G., Golovanov N., Lazaroiu C., Zaninelli D. Impact of Embedded Generation on the Voltage Quality of Distribution Networks // Electrical Power Quality and Utilisation, EPQU. - 2007. - Vol. 3. - № 1. Режим доступу: http://www.leonardo-energy.org/webfm_send/1079.
20. Gonzalex-Longatt F. Impact of Distributed Generation over Power Losses on Distribution System // 9th International EPQU Conference, Barcelona. - 2007. Режим доступу: http://www.leonardo-energy.org/webfm send/1129.
21. Griffin T., Tomosovic K., Secrest D., Law A. Placement of dispersed generations systems for reduced losses // In: Proceedings of the 33rd Hawaii international conference on sciences, Hawaii. - 2000.
22. IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers, http://www.ieee.org.
23. International Energy Agency, Distributed Generation in Liberalised Electricity Markets. - 2002. Available at: http://www.iea.org.
24. Kumpulainen L., Kauhaniemi K., Verho P., Vahamaki O. New Requirements for System Protection Caused by Distributed Generation // CIRED 18th International Conference on Electricity Distribution. - 2005.
25. Maki K., Repo S, Jarventausta P. Protection Coordination to meet the Requirements of Blinding Problems caused by Distributed Generation// WSEAS Transactions on Circuits and Systems. - 2005. - Vol. 4. - № 7. - P. 674-683.
26. Maki K., Kulmala A., Repo S., Jarventausta P. Studies on Grid Impacts of Distributed Generation in a Combined Real-Time Simulation Environment // 7th International Conference on Power System Transients. - 2007. - P. 149-155.
27. Momoh J., Boswell G.D. Improving Power Grid Efficiency Using Distributed Generation // IEEE Power Systems Conference and Exposition. - 2006. - P. 295-300.