Эксплуатация и контроль энергосистемы
Операции энергосистемы — термин, используемый в производстве электроэнергии для описания процесса принятия решений в масштабе времени от одного дня ( работа на сутки вперед). [1] ) в минуты [2] до подачи электроэнергии . Термин «управление энергосистемой» описывает действия, предпринимаемые в ответ на незапланированные нарушения (например, изменения спроса или сбои оборудования) для обеспечения надежного электроснабжения приемлемого качества. [3] Соответствующая инженерная отрасль называется «Эксплуатация и управление энергосистемой» . Электричество трудно хранить, поэтому в любой момент предложение (генерация) должно быть сбалансировано со спросом (« балансировка сети »). В электрической сети задача балансировки в реальном времени выполняется региональным центром управления, которым управляет электроэнергетическая компания на традиционном ( вертикально интегрированном ) рынке электроэнергии. В реструктурированной энергосистеме Северной Америки эти центры принадлежат балансирующим органам, число которых в 2016 году составляло 74. [4] субъекты, ответственные за операции, также называются независимыми системными операторами , операторами системы передачи. Другая форма балансировки ресурсов нескольких электростанций – это энергетический пул . [5] Балансирующие органы контролируются координаторами по надежности . [6]
Операция на сутки вперед
[ редактировать ]Режим «на сутки вперед» составляет расписание энергоблоков, которые могут быть задействованы для подачи электроэнергии на следующий день ( обязательство установки ). Диспетчерские генерирующие установки могут производить электроэнергию по требованию и, таким образом, могут быть точно запланированы. Производство возобновляемой энергии, зависящей от погоды , на следующий день не является гарантированным, поэтому ее источники не подлежат диспетчеризации. Эта изменчивость в сочетании с неопределенным будущим спросом на электроэнергию и необходимостью учитывать возможные сбои в выработке и передаче требуют планирования эксплуатационных резервов , которые, как ожидается, не будут производить электроэнергию, но могут быть отправлены в очень короткие сроки. [1]
Некоторые энергоблоки обладают уникальными особенностями, которые требуют их ввода в эксплуатацию гораздо раньше: например, запуск атомных электростанций занимает очень много времени, а гидроэлектростанции требуют заблаговременного планирования использования водных ресурсов, поэтому решения о вступлении в эксплуатацию по ним принимаются неделями или даже за несколько месяцев до родов. [7]
Для «традиционной» вертикально интегрированной электроэнергетической компании основная цель обязательства по единице электроэнергии состоит в том, чтобы минимизировать как предельные затраты на производство единицы электроэнергии, так и начальные затраты (весьма существенные для производства ископаемого топлива). На «реструктуризированном» рынке электроэнергии используется алгоритм клиринга рынка , часто в форме аукциона ; порядок заслуг иногда определяется не только денежными затратами, но и экологическими проблемами. [1]
Принятие на себя обязательств по единице является более сложным, чем операции с более короткими временными рамками, поскольку доступность единицы зависит от множества ограничений: [8]
- Необходимо поддерживать баланс спроса и предложения, включая достаточные резервы на случай непредвиденных обстоятельств . Баланс должен отражать ограничения передачи;
- тепловые агрегаты могут иметь ограничения на минимальное время безотказной работы (после включения нельзя быстро выключить) и время простоя (после остановки нельзя быстро перезапустить снова);
- «обязательные» агрегаты должны работать из-за технических ограничений (например, теплоэлектростанции должны работать, если их тепло необходимо);
- Обычно на станции имеется одна бригада, которая должна присутствовать при пуске теплового агрегата, поэтому одновременно может быть запущен только один агрегат. [9]
Операция на несколько часов вперед
[ редактировать ]За несколько часов до поставки системному оператору может потребоваться развернуть дополнительные резервы или даже выделить больше генерирующих блоков, в первую очередь, чтобы обеспечить надежность энергоснабжения, пытаясь при этом минимизировать затраты. В то же время оператор должен обеспечить наличие достаточных резервов реактивной мощности для предотвращения падения напряжения . [2]
Кривая отправки
[ редактировать ] | Графики недоступны по техническим причинам. Дополнительную информацию можно найти на Phabricator и на MediaWiki.org . |
Решения (« экономическое диспетчерирование ») основаны на кривой диспетчеризации , где ось X представляет собой мощность системы, на этой оси располагаются интервалы для энергоблоков в порядке значимости с длиной интервала, соответствующей максимальной мощности единицы измерения, значения по оси Y представляют собой предельные затраты (за МВтч электроэнергии, игнорируя начальные затраты). Для решений, основанных на затратах, единицы в порядке значимости сортируются по возрастанию предельных издержек. График справа описывает чрезвычайно упрощенную систему с тремя задействованными генераторными агрегатами (полностью управляемыми, с постоянной стоимостью за МВтч): [7]
- энергоблок А может выдавать до 120 МВт по цене $30 за МВтч (от 0 до 120 МВт системной мощности);
- энергоблок B может выдавать до 80 МВт по цене $60/МВтч (от 120 до 200 МВт системной мощности);
- Блок C имеет мощность 50 МВт по цене 120 долларов США за МВтч (от 200 до 250 МВт системной мощности).
При ожидаемой мощности 150 МВт (вертикальная линия на графике) блок А будет задействован на полную мощность 120 МВт, блок Б будет работать на уровне диспетчеризации 30 МВт, блок С останется в резерве. Площадь под кривой распределения слева от этой линии представляет стоимость часа работы (без учета затрат на запуск: 30 * 120 + 60 * 30 = 5400 долларов в час), дополнительные затраты на следующий МВт электроэнергии (60 долларов США в час). пример, представленный горизонтальной линией на графике), называется системной лямбда-кривой (отсюда и другое название кривой — системная лямбда-кривая ).
В реальных системах стоимость за МВтч обычно не является постоянной, и поэтому линии кривой диспетчеризации не являются горизонтальными (обычно предельные затраты на электроэнергию увеличиваются с уровнем диспетчеризации, хотя для электростанций с комбинированным циклом существует несколько кривых затрат в зависимости от режим работы, поэтому соотношение мощности и стоимости не обязательно монотонно ). [10]
Если минимальный уровень потребления в примере останется выше 120 МВт, блок A будет постоянно работать на полной мощности, обеспечивая мощность базовой нагрузки , блок B будет работать на переменной мощности, а блок C необходимо будет включать и выключать, обеспечивая «промежуточная» или «циклическая» мощность. Если потребность лишь изредка превышает 200 МВт, блок C большую часть времени будет простаивать и будет считаться пиковой электростанцией («пиковой»). Поскольку пиковая станция может работать всего лишь десятки часов в год, стоимость электроэнергии, производимой пиковой электроэнергией, может быть очень высокой, чтобы окупить капитальные вложения и постоянные затраты (см. правую часть гипотетической полномасштабной кривой диспетчеризации).
Повторная отправка
[ редактировать ]Иногда ограничения сети меняются непредсказуемо, и возникает необходимость изменить ранее установленные обязательства по единицам. Это изменение перераспределения системы контролируется в режиме реального времени центральным оператором, который выдает директивы участникам рынка, которые заранее подают заявки на увеличение/снижение уровней мощности. Благодаря централизованному характеру повторной отправки, согласование условий контрактов не затягивается; понесенные затраты распределяются либо между участниками, ответственными за сбой, на основе заранее установленных тарифов, либо равными долями. [12]
Операция на несколько минут вперед
[ редактировать ]За несколько минут до доставки системный оператор использует алгоритмы исследования потока мощности , чтобы найти оптимальный поток мощности . На этом этапе целью является надежность («безопасность») поставок. [2] Практические электрические сети слишком сложны для выполнения расчетов вручную, поэтому с 1920-х годов расчеты были автоматизированы, сначала в виде специально созданных аналоговых компьютеров , так называемых сетевых анализаторов , замененных цифровыми компьютерами в 1960-х годах.
Контроль после нарушения
[ редактировать ]Небольшие несоответствия между общей потребностью и общей нагрузкой являются типичными и первоначально устраняются за счет кинетической энергии вращающихся механизмов (в основном синхронных генераторов ): когда поставок слишком много, устройства поглощают излишки, и частота превышает запланированную. скорость, и наоборот, слишком большой спрос заставляет генератор производить дополнительную электроэнергию за счет замедления, при этом частота немного снижается, [13] не требующие вмешательства оператора. Существуют очевидные ограничения для этого «немедленного контроля», поэтому континуум управления , охватывающий интервалы реакции от секунд («первичное управление») до часов («контроль времени»). в типичную энергосистему встроен [14]
Секунды после контроля
[ редактировать ]The первичное управление включается автоматически через несколько секунд после нарушения частоты. Первичное управление стабилизирует ситуацию, но не возвращает условия к норме и применяется как со стороны генерации (где регулятор регулирует мощность первичного двигателя ), так и со стороны нагрузки, где: [15]
- асинхронные двигатели самонастраиваются (более низкая частота снижает потребление энергии);
- реле пониженной частоты отключают прерываемые нагрузки ;
- вспомогательные услуги (нагрузка снижается за счет контрактов на оказание услуг по обеспечению надежности). задействованы
Другой термин, обычно используемый для первичного управления, — это частотная характеристика (или «бета»). Частотная характеристика также включает в себя инерционную характеристику генераторов. [16] Это параметр, который аппроксимируется коэффициентом частотного смещения при расчете ошибки управления площадью (ACE), используемом для автоматического управления генерацией . [17]
Минуты после контроля
[ редактировать ]The Вторичное управление используется для восстановления частоты системы после нарушения с корректировками, вносимыми компьютером управления балансирующим органом (это обычно называется контролем частоты нагрузки или автоматическим контролем генерации ) и ручными действиями, предпринимаемыми персоналом балансирующего органа. Вторичное управление использует как вращающиеся , так и невращающиеся резервы, при этом службы балансировки развертываются в течение нескольких минут после нарушения (гидроэлектростанции способны реагировать еще быстрее). [18]
Третичный контроль
[ редактировать ]Третичный контроль включает в себя развертывание и восстановление резервов на случай текущих и будущих непредвиденных обстоятельств. [19]
Контроль времени
[ редактировать ]Целью управления временем является поддержание долговременной частоты на заданном значении в пределах глобальной синхронной сети . Из-за помех средняя частота дрейфует, и временная ошибка между официальным временем и временем, измеренным в циклах переменного тока, накапливается . В США средняя частота 60 Гц поддерживается в каждом межсетевом соединении назначенным органом, монитором времени , который периодически меняет целевую частоту сети ( запланированную частоту). [13] ), чтобы привести общий сдвиг времени в заранее заданные пределы. Например, в Восточном соединении действие (временная установка частоты на 60,02 Гц или 59,98 Гц) инициируется, когда смещение времени достигает 10 секунд, и прекращается, когда смещение достигает 6 секунд. Контроль времени осуществляется либо компьютером ( Автоматическая коррекция ошибок времени ), либо монитором, запрашивающим балансирующие органы скорректировать свои настройки. [20]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Конехо и Баринго 2017 , с. 9.
- ^ Jump up to: а б с Конехо и Баринго 2017 , с. 10.
- ^ С. Шиванагараджу (2009). Эксплуатация и контроль энергосистемы . Пирсон Образовательная Индия. стр. 557–. ISBN 9788131726624 . OCLC 1110238687 .
- ^ «Электрическая система США состоит из межсоединений и балансирующих органов» . eia.gov . Управление энергетической информации США . 20 июля 2016 года . Проверено 31 мая 2022 г.
- ^ Бхаттачарья, Боллен и Даалдер, 2012 , стр. 54.
- ^ НКРЭ 2018 , с. 8.
- ^ Jump up to: а б «Хозяйственное диспетчерское управление и эксплуатация электроэнергетических предприятий» . psu.edu . EME 801 Энергетические рынки, политика и регулирование: Университет штата Пенсильвания .
{{cite web}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка ) - ^ Бхаттачарья, Боллен и Даалдер, 2012 , стр. 47–52.
- ^ Вуд и Волленберг 1984 , с. 117.
- ^ Байон, Л.; Гарсиа Ньето, ПиДжей; Грау, Дж. М.; Руис, ММ; Суарес, премьер-министр (19 марта 2013 г.). «Алгоритм экономической диспетчеризации парогазовых установок» (PDF) . Международный журнал компьютерной математики . 91 (2): 269–277. дои : 10.1080/00207160.2013.770482 . eISSN 1029-0265 . ISSN 0020-7160 . S2CID 5930756 .
- ^ «Отправка электрогенератора зависит от потребности системы и относительной стоимости эксплуатации» . eia.gov . 17 августа 2012 года . Проверено 30 мая 2022 г.
- ^ Сон Юн-Хуа (31 июля 2003 г.). «Перераспределение системы» . В песне Юн-Хуа; Си-Фань Ван (ред.). Эксплуатация рыночно-ориентированных энергетических систем . Springer Science & Business Media. п. 150. ИСБН 978-1-85233-670-7 . OCLC 1112226019 .
- ^ Jump up to: а б НКРЭ 2021 , с. 1.
- ^ НКРЭ 2021 , с. 6.
- ^ НКРЭ 2021 , с. 13.
- ^ НКРЭ 2021 , с. 12.
- ^ НКРЭ 2021 , с. 14.
- ^ НКРЭ 2011 , стр. 12–13.
- ^ НКРЭ 2011 , с. 13.
- ^ НКРЭ 2011 , стр. 13–14.
Источники
[ редактировать ]- КОНЕХО, Антонио Дж.; Баринго, Луис (5 декабря 2017 г.). Эксплуатация энергосистемы . Спрингер. ISBN 978-3-319-69407-8 . OCLC 1015677828 .
- Бхаттачарья, Канкар; Боллен, математик HJ; Даалдер, Яап Э. (6 декабря 2012 г.). Эксплуатация реструктурированных энергосистем . Springer Science & Business Media. ISBN 978-1-4615-1465-7 . OCLC 852788650 .
- Маккалли, Джеймс Д. «Введение в работу, оптимизацию и управление системой» (PDF) . iastate.edu . Университет штата Айова . Проверено 30 мая 2022 г.
- Вуд, Аллен Дж.; Волленберг, Брюс Ф. (1984). Производство электроэнергии, эксплуатация и контроль . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-09182-0 . OCLC 1085785794 .
- ВЕКК. «Обзор баланса полномочий и регулирования» (PDF) . wecc.org . Западный координационный совет по электроэнергетике .
- НКРЭ (июль 2018 г.). Технический документ функциональной модели надежности, версия 5.1 (PDF) . Североамериканская корпорация по надежности электроснабжения .
- НКРЭ (26 января 2011 г.). Балансировка и регулирование частоты (PDF) . Североамериканская корпорация по надежности электроснабжения .
- НКРЭ (11 мая 2021 г.). Балансировка и регулирование частоты (PDF) . Североамериканская корпорация по надежности электроснабжения .
- Кундур, П.; Балу, Нью-Джерси; Лауби, М.Г. (1994). Стабильность и контроль энергосистемы . Серия EPRI по проектированию энергетических систем. Макгроу-Хилл Образование. ISBN 978-0-07-035958-1 . Проверено 12 июня 2023 г.