Выбор и анализ эффективности мероприятий по повышению пропускной способности межсистемных связей в объединенных ЭЭС

Актуальность проблемы.

В связи с введением либерализованного рынка электроэнергии в Европе и Америке режимы работы энергосистем сильно изменились. Особенно сильные изменения произошли на межсистемных связях, которые были спроектированы не для регулярных обменов электроэнергией (ЭЭ), а для помощи другим системам при аварии и обеспечения синхронной работы энергосистем различных стран.

Введение

рынка, открытие возможности передавать электроэнергию, производимую в одной стране, в другую, различный состав генерирующих мощностей, разные цены на топливо породили разную себестоимость производства ЭЭ в разных странах. В результате этого возникли перетоки из стран с низкой себестоимостью в страны с высокой себестоимостью ЭЭ. Так как межсистемные связи не были рассчитаны на такие большие перетоки, то возникают ограничения на передачу, обусловленные недостаточной пропускной способностью межсистемных связей. В отдельных случаях причиной межсистемных ограничений на передачу ЭЭ могут стать слабость сети и внутренние перегрузки линий и оборудования подстанций.

При нерегулярных перегрузках возможны случаи, когда их устранения не требуется. Если перегрузки отмечаются регулярно, то необходимо принимать меры по их устранению. Мероприятия по устранению перегрузок можно разделить на долгосрочные, среднесрочные и оперативные. В зависимости от мероприятия, оно решает либо текущие проблемы, но, как правило, только временно, либо приносит глобальное решение, но срок реализации таких мероприятий исчисляется годами, и требуются большие капитальные вложения. Несмотря на то, что физически объединенная энергосистема может работать и без устранения перегрузок, такой режим работы не является оптимальным с точки зрения затрат. Грамотное устранение перегрузок позволяет обеспечить лучшую работу системы как с технической так и с коммерческой точки зрения, причем даже если режимы работы системы не сильно изменятся, суммарная экономия средств в масштабах энергосистемы будет значительной.

Так как мероприятия по устранению перегрузок являются сложными техническими устройствами или организационными схемами, и связаны с вложением средств, которые впоследствии должны окупиться и принести прибыль, необходимо понять, будет ли выгодным то или иное мероприятие. Для этого необходимо провести комплексный анализ сначала с технической точки зрения, и определить что принесет каждое мероприятие с точки зрения улучшения управляемости режимов, повышения пропускной способности, улучшения и стабилизации параметров режима. Далее, если мероприятие технически осуществимо, необходимо сделать грамотную оценку коммерческой стороны вопроса и определить коммерческую выгоду, получаемую при его внедрении.

В связи с тем, что принимаемые в расчет величины стохастические, и для многих из них развитие в будущем либо не известно, либо достоверность прогнозов мала, для правильного представления полученных результатов необходимо вводить элементы теории вероятности как в исходные данные, так и в полученный результат.

Опыт зарубежных стран показал, что введение рынка действительно позволило эксплуатировать существующие энергосистемы более экономично, снизить себестоимость ЭЭ у конечного потребителя. Устранение перегрузок приводит к улучшению режимов и дальнейшему снижению затрат на производство ЭЭ. Одновременно повышается надежность и качество электроснабжения. Однако для окончательного заключения об эффективности мероприятий по устранению перегрузок необходима комплексная методика их оценки, которая была бы универсальной и не зависела от географического расположения региона, развития сети и генерации, степени открытости рынка ЭЭ, цены на топливо и прочих факторов.

В настоящее время усиление сети часто рассматривается либо только с технической, либо только с коммерческой точки зрения. В то же время при рассмотрении больших энергосистем необходимо рассматривать мероприятия усиления сети комплексно, учитывая как непосредственно сами режимы, так и экономическую эффективность работы системы после внедрения мероприятия по усилению сети и повышению пропускной способности. Существующие методы оценки технической и экономической эффективности в полной мере не позволяют сделать такую комплексную оценку из-за различных критериев и самой методики оценки. Этот вопрос может быть решен при наличии комплексного метода, который учитывает реальные параметры всех элементов энергосистемы и позволяет сначала определить места с перегрузками в настоящем и будущем, затем выбрать обоснованные мероприятия усиления сети и устранения перегрузок, сделать оценку эффективности мероприятий и приносимую ими выгоду с технической точки зрения, а также учесть статистику прошлых лет, состояние системы в настоящем, и вероятностные характеристики величин и параметров, характеризующих работу системы, среднеи долгосрочные прогнозы их развития в будущем. Разработка такого метода на настоящий момент представляется до конца не решенной, и затруднена из-за следующих причин:

— существующие методики оценки мероприятий устранения перегрузок в большинстве случаев позволяют сделать оценку мероприятий либо только с технической, либо только с экономической точки зрения, а также не в полной мере учитывают особенности либерализованного рынка ЭЭ;

— результаты различных подходов к оценке мероприятий не могут быть сравнены напрямую, в связи с чем не возможно выбрать наиболее оптимальное мероприятие повышения пропускной способности;

— в исследованиях редко присутствует адекватная оценка чувствительности исходных данных и учет их вероятностных характеристик, что может привести к неправильной интерпретации полученных результатов или их искажению;

— при проведении подобных исследований, как правило, определяется выгода для одного или нескольких участников рынка, но не комплексно в масштабах энергосистемы, что заведомо ведет к локальной, а не общесистемной выгоде.

В последние годы усилия широкого круга специалистов были направлены на решение проблемы обоснования и оценки мероприятий по повышению пропускной способности больших ЭЭС. Особенно значительный вклад в решение данной проблемы внесли отечественные ученые: Воропай Н. И., Кощеев Л. А., Кучеров Ю. Н., Хвощинская З. Г., Шакарян Ю. Г. Работы зарубежных ученых представлены на международных конференциях и в публикациях CIGRE, IEEE, IEE. Были предложены различные методы и подходы к определению и оценке проблемы повышения пропускной способности сети.

Таким образом, цель данной работы заключается в том, чтобы на основании анализа достоинств и недостатков существующих методов:

1. Разработать метод для определения максимальных значений пропускной способности линий и сечений, и оценки краткосрочных мероприятий по устранению перегрузок в условиях либерализованного рынка ЭЭ для слаборазвитых и сильно протяженных сетей, сетей с источниками генерации, удаленными от сечений с перегрузками при требуемой достоверности исходных и прогнозных данных.

2. Предложить методику комплексной оценки экономической эффективности краткосрочных мероприятий по повышению пропускной способности и установить зависимость ожидаемой экономии и срока окупаемости этих мероприятий от влияющих на них параметров.

3. Разработать методику определения и оценки долгосрочных мероприятий по устранению перегрузок для сильноразвитых систем с высоко достоверными начальными данными, большими запасами по генерации в системе, при отсутствии внутренних перегрузок в сети рассматриваемых систем с учетом статистики и вероятностных характеристик исходных данных, их погрешности и неопределенности их развития в будущем в условиях либерализованного рынка ЭЭ.

4. Установить зависимость экономической эффективности мероприятий и приносимой ими выгоды от вероятностных характеристик таких величин как интенсивности постройки ВЭУ, развития нагрузки и изменения цен на топливо.

5. Оценить возможную экономию средств от внедрения мероприятий по повышению пропускной способности в масштабах энергосистемы на примере реальных ЭЭС.

Методы и средства исследований основана на применении сочетания методов математического моделирования, методов оптимизации (линейное и динамическое программирование), численных методов решения систем нелинейных уравнений, методов теории электрических цепей, теории вероятности и методов статистики.

Достоверность получепных результатов подтверждается применением известных методов и элементов использованных теорий. Достоверность также обусловлена хорошим совпадением полученных результатов расчетов для рассмотренных энергосистем с реальной ситуацией, наблюдаемой в них. Решения о мероприятиях повышения пропускной способности, принятые по ходу работы совпали с решениями, принятыми в реальных энергосистемах в действительности, а предложенные решения для развития энергосистем в будущем на основании той же методики позволяют ожидать подтверждения их правильности и эффективности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен метод определения пропускной способности сечений и межсистемных связей и комплексной оценки эффективности краткосрочных мероприятий по устранению перегрузок с учетом режима работы системы для слаборазвитых и сильно протяженных сетей, сетей с источниками генерации, удаленными от сечений с перегрузками в условиях либерализованного рынка электроэнергии.

2. Установлено, что самая слабая связь, полученная при привлечении сингулярного анализа для определения и оценки мероприятий повышения пропускной способности в предельных режимах, может не входить в самое слабое сечение, а самое слабое сечение может быть образовано не самыми слабыми связями.

3. Предложена методика определения оценки долгосрочных мероприятий по устранению перегрузок для сильноразвитых систем с высоко достоверными начальными данными, большими запасами по генерации в системе, при отсутствии внутренних перегрузок в сети рассматриваемых систем с учетом статистики и вероятностных характеристик исходных данных, их погрешности и неопределенности их развития в будущем.

Практическая значимость работы. При возникновении перегрузок в сети предложенная методика позволяет объективно выбирать мероприятия повышения пропускной способности и выполнять его комплексную технико-экономическую оценку с учетом статистических данных, прогнозов, данных на стороне генерации, режимов работы системы и рыночных принципов и законов. Она может быть использована как в проектных и научно-исследовательских организациях при выполнении ТЭО проектов, выборе и оценке мероприятий для связей между энергосистемами и частями больших энергосистем, так и в сетевых компаниях для оценки технического и финансового эффекта от них при планировании инвестиций в энергосистему вне зависимости от состояния системы и достоверности исходных данных и прогнозов.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Электроэнергетические системы» Московского Энергетического Института (Технического Университета).

Основные результаты работы доложены на двух научно-технических конференциях и опубликованы в 4 печатных работах.

— 158-Заключение.

1. Установлено, что из оперативных мероприятий устранения перегрузок самым оптимальным является координированное управление перегрузками на стадии биржевых торгов.

2. Разработана методика определения пропускной способности и оценки краткосрочных мероприятий повышения пропускной способности с малым сроком реализации для слаборазвитых и сильно протяженных сетей, сетей с источниками генерации, удаленными от сечений с перегрузками при требуемой достоверности исходных и прогнозных данных. При установке FACTS повышение пропускной способности связей может достигать 50% установленной мощности устройства и более.

3. Предложена методика комплексной оценки экономической эффективности краткосрочных мероприятий по повышению пропускной способности и установлено, что ожидаемая прибыль снижается, а срок окупаемости FACTS увеличивается с ростом инфляции, увеличением цен на топливо и снижением тарифа на ЭЭ.

4. Установлено, что при привлечении сингулярного анализа и рассмотрении предельных и близких к предельным режимов необходимо анализировать матрицу Якоби. При этом необходимо обеспечить одинаковую размерность и структуру матрицы Якоби. Доказано, что при поиске самого слабого сечения необходимо рассматривать не только самую слабую связь, но и возможные комбинации из менее слабых связей, так как самая слабая связь не обязательно будет входить в самое слабое сечение, а самое слабое сечение может быть образовано не самыми слабыми связями.

5. На основе разработанных прогнозных моделей предложена методика определения и оценки долгосрочных мероприятий по устранению перегрузок для сильноразвитых систем с высоко достоверными начальными данными, большими запасами по генерации в системе, при отсутствии внутренних перегрузок в сети рассматриваемых систем с учетом статистики и вероятностных характеристик исходных данных, их погрешности и неопределенности их развития в будущем.

6. Установлено, что при одинаковых функциях распределения исходных данных велика вероятность того, что функция распределения результатов будет такой же.

7. Разработанная методика комплексной оценки проблемы перегрузок при межсистемных транзитах и транзитах в больших ЭЭС является универсальной и не зависит от объекта рассмотрения. Она может быть применена на практике для устранения перегрузок и оценки мероприятий повышения пропускной способности как с технической, так и с экономической точки зрения, а также как метод для оценки инвестиций в большие энергосистемы в условиях либерализованного рынка электроэнергии. Ее применение к реальным ЭЭС позволяет оценить возможную экономию средств от внедрения мероприятий по повышению пропускной способности в масштабах энергосистемы.

1] Richtlinie 96/92/EG des Europaischen Parlaments und des Rates betreffend gemeinsame Vorschriften fur den Elektrizitatsbinnenmarkt, Das europaische Parlament und der Rat des Europaischen Union, Amtsblatt der Europaischen Gemeinschaflten, Nr. L 027, Dezember 1997.

2] Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity (UCTE). Website www.ucte.org.

3] Ершевич B.B., Зейлигер A.H., Илларионов Г. А. и др.- Справочник по проектированию электроэнергетических систем под ред. С. С. Рокотяна и И.М. Шапиро- 3-е изд., перераб. И доп. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 352 с.

4] Единая энергосистема России/ Н. В. Лисицын, Ф. Я. Морозов, А. А. Окин, В. А. Семенов — М.: Издательство МЭИ, 1999. — 284 е.: ил.

5] ABB Ltd.

Website www.abb.com.

6] Griinbaum, R.- Petersson, E., Thorvaldsson, B.

Improving the performance of electrical grids, ABB Utilities AB, Power Systems, Vasteras, ABB Review 3/2002.

7] Rudervall, R.- Charpentier, J., Sharma, R.

High voltage direct current (HVDC) transmission systems. Technology paper review, Energy week 2000, Washington, D.C., USA 2000.

8] Siemens AG.

Website www.siemens.com.

9] ABB Power systems AB pamphlet.

765 kV series capacitors: A world’s first, Vasteras 2003 Website http://abblibrarv.abb.com/GLOBAL/SCOT/scot221.nsf/VeritvDisplav/9B4 7F57F138BB852C1256FDA003B4D13/$File/Furnas%20A02−0112%20E.pdf.

10] Griinbaum, R.- Halonen, M., Ruddin, S.

Power factor: Static VAR compensator stabilizes Namibian grid voltage, ABB Utilities AB, Power Systems, Vasteras, ABB Review 2/2003.

11] Reed, G.- Paserba, J.- Salavantis, P.

The FACTS on resolving transmission gridlock, IEEE power & energy magazine, 09/10 2003.

12] Griinbaum, R.- Noroozian, M., Thorvaldsson, B.

FACTS — powerful systems for flexible power transmission, ABB Power Systems AB, Vasteras, ABB Review 5/1999.

Lemay, J.- Brochu, J., Beauregard, F.

Interphase power controllers complementing the family of FACTS controllers.

ABB Systems/CITEQ, Quebec 2000, ABB Review 1/2000.

ОАО «ВНИИЭ» Website www.vniie.ru.

T.B. Авакян, Д. Г. Боков, Ю. В. Шаров Анализ развития межгосударственных электрических связей ОЭС Белоруссии и энергосистемы Польши // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. Десятая междунар. науч.-тех. конф. студ. и асп. 2−3 марта 2004 г. — Москва, 2004, том 3, С.221−222.

Arora, A.- Chan, К., Jauch, Т.- Kara, A.- Wirth, Е.

Innovative system solutions for power quality enhancement, ABB High voltage technologies Ltd., Zurich, ABB Review 3/1998.

European Association of Electricity Transmission System Operators Design options for implementation of a coordinated transmission auction, Brussels 2002 Website http://www.etso-net.org.

European Association of Electricity Transmission System Operators Co-ordinated congestion management. An ETSO vision, Brussels 2002 Website http://www.etso-net.org.

European Association of Electricity Transmission System Operators ETSO position on the «Co-ordinated Cost+» cross-border capacity allocation proposal, Brussels 2003 Website http://www.etso-net.org.

European Association of Electricity Transmission System Operators Outline proposals for a Co-ordinated congestion management scheme based on the ETSO vision, Brussels 2002 Website http://www.etso-net.org.

European Association of Electricity Transmission System Operators Position paper on congestion management in South-eastern Europe region, Brussels 2003 Website http://www.etso-net.org.

European Association of Electricity Transmission System Operators Definitions of transfer capacities in liberalized electricity market, Brussels 2001 Website http://www.etso-net.org.

European Association of Electricity Transmission System Operators Co-ordinated use of power exchanges for congestion management in continental Europe, Brussels 2002 Website http://www.etso-net.org.

European Association of Electricity Transmission System Operators Evaluation of congestion management methods for cross-border transmission, Brussels 1999 Website http://www.etso-net.org.

European Association of Electricity Transmission System Operators Reconciliation of market splitting with co-ordinated auction concepts. Technical issues, Brussels 2002 Website http://vyww.etso-net.org.

European Association of Electricity Transmission System Operators Co-ordinated use of Power Exchanges for Congestion Management Final Report, Brussels 2001 Website http://www.etso-net.org.

Yamin, H.- Shahidehpour, S.

Transmission congestion and voltage profile management coordination in competitive electricity markets,.

Electrical Power and Energy Systems, Elsevier 2003.

European Association of Electricity Transmission System Operators ETSO approves a new cross-border trade system (CBT) for 2003, Which reduces the fee from 1 to 0,5 Euro/MWh, Brussels 2003 Website http://www.etso-net.org.

European Association of Electricity Transmission System Operators Co-ordinated Auctioning. A market based method for transmission capacity allocation in meshed networks, Brussels 2001 Website http://www.etso-net.org.

Приказ РАО «ЕЭС России» № 488 от 19.09.2003 О программе создания управляемых линий и оборудования для них.

Утц Н. Н. Состояние и перспективы развития единой национальной электрической сети ЕЭС России на период до 2012 г.//Электро — 2004. -№ 6. -С.2−7.

О правилах оптового рынка энергии (мощности) переходного периода: Постановление правительства Российской Федерации № 643 от 24.10.2003 г. — М.: Правительство Российской Федерации, 2003 — 33 с.

Об электроэнергетике: Федеральный закон Российской Федерации от 26 марта 2003 г. № 35-Ф3. — М.: Государственная Дума РФ, 2003.

Д.Г. Боков, Ю. В. Шаров Разработка метода для анализа способов повышения пропускной способности межсистемных связей // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. Десятая междунар. науч.-тех. конф. студ. и асп. 2−3 марта 2004 г. — Москва, 2004, том 3, С.224−225.

Боков Д. Г. Анализ и методы повышения пропускной способности межсистемных связей в объединенных энергосистемах. — М., 2006 — Деп. в ВИНИТИ 27.01.06, № 82-В2006.

Методы оптимизации режимов энергосистем / М54 В. М. Горштейн, Б. П. Мирошниченко, А. В. Пономарев и др.- Под ред. В. М. Горштейна. — М.: Энергия, 1981. — 336 е., ил.

37] Григорьев В. А., Зорин В. М. Тепловые и атомные электрические станции: Т 34 Справочник М., Энергоатомиздат, 1982. — 624 с.

38] Федеральная служба по тарифам РФ Website http://www.fst-rf.ru, 2005.

39] ЗАО «Росинформуголь» Website http://www.rosugol.ru, 2005.

40] Union for the Coordination of Electricity Transmission Interim Report of the Investigation Committee on the 28 September 2003 Blackout in Italy, Website http://www.ucte.org, 2004.

41] Yu.V. Makarov, V.I.Reshetov, V.A. Stroev, N.I. Voropai Blackout prevention in the United States, Europe, and Russia // Proceedings of the IEEE, vol. 93, No. 11, November 2005.

42] M.D. Ilic, E.H. Allen, J.W. Chapman, Ch.A. King, J.H. Lang, E. Litvinov Preventing future blackouts by means of enhanced electric power systems control: From complexity to order // Proceedings of the IEEE, vol. 93, No. 11, November 2005.

43] Гамм A.3., Голуб И. И. Сенсоры и слабые места в электроэнергетических системах. Иркутск: СЭИ СО РАН, 1996.-99с.

44] Хорн Р., Джонсон Ч. Матричный анализ. -М: Мир, 1989. -665 с.

45] European Commission, Directorate-General for energy Energy in Europe — European union energy outlook to 2020 Office for official publications of the european communities, Luxembourg 1999.

46] Energy Information Administration.

Official Energy Statistics from the U.S. Government Website http://www.eia.doe.gov, 2002.

47] Die Europaische Union online Website der EG http://europa.eu.int/comm/energy transport/etif/list of tables. html, 2002.

48] D.G. Bokov, Yu.V. Sharov Power systems congestion management in liberalized electricity market at expansion planning stage // Liberalization and modernization of power systems: congestion management problems, The international Workshop IEEE Proceedings August 11−14, 2003 — Irkutsk, p. 102−112.

49] Bundesverband WindEnergie e.V. Website http://www.wind-energie.de.

50] J. Hartung, B. Elpelt, K.-H. Klosener.

Statistik. Lehrund Handbuch der angewandten Statistik" 11. Auflage R. Oldenbourg Verlag Munchen Wien, 1998.

51] Sengbusch, К von.

Einfluss von Planungsunsicherheiten auf die Ausbaustrategie von 110-kV-Netzen.

Dissertation, RWTH Aachen, Aachen, 2001.

52] Hartmann, T.

Modellierung von Preisunsicherheiten bei der Energieeinsatzplanung Institut fur elektrische Anlagen und Energiewirtschaft, RWTH Aachen, Aachen, 2002.

53] Haubrich, H.-J., Neus H., Krasenbrink В., Schmoller H. Beschreibung zu HERMES.

IAEW, RWTH Aachen, Aachen, 2002.

54] Haubrich, H.-J.- Zimmer, C.- von Sengbusch, K.- Li, F.- Fritz, W.- Kopp, S. Analysis of Electricity Network Capacities and Identification of Congestion.

Final report, Aachen, 2001.

55] RWE AG.

Website http://www.rwe.com, 2002.

56] E. ON AG.

Website http://www.eon.com/, 2002.

57] Bundesamtes fur Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) Website http://www.bafa.de, 2002.

58] Bundesministerium fur Wirtschaft und Technologie Website http://www.bmwi.de, 2002.

59] VDEW-Statistik.

Verlagsund Wirtschafitsgesellschaft der Elektrizitatswerke m.b.H.-VWEW, Frankflirt am Main, 1998.

60] H.-J. Klatt, E. Meller, A. Middelschulte, G. Milojcic, W. Reichel, H.-W. Riemer.

Jahrbuch 2001 der europaischen Energieund Rohstoffwirtschaft Verlag Gluckauf GmbH, Essen 2001.

61 ] European Association of Electricity Transmission System Operators Website http://www.etso-net.org, 2002.

62] Haubrich, H.-J.

Elektrische Energieversorgungssysteme.

Technische und wirtschaftliche Zusammenhange, Skriptum zur Vorlesung «Elektrische Anlagen II» .