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). ) в минуты 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. 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. субъекты, ответственные за операции, также называются независимыми системными операторами , операторами системы передачи. Другая форма балансировки ресурсов нескольких электростанций – это энергетический пул . Балансирующие органы контролируются координаторами по надежности .

Операция на сутки вперед

Основная статья: Проблема приверженности единиц продукции в производстве электроэнергии

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.

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.

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.

Принятие на себя обязательств по единице является более сложным, чем операции с более короткими временными рамками, поскольку доступность единицы зависит от множества ограничений:

• 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.

Операция на несколько часов вперед

Основная статья: Орден за заслуги

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 .

Кривая отправки

Кривая отправки.

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):

• 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 ).

Гипотетическая кривая диспетчеризации (США, лето 2011 г.)

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 электростанцией, может быть очень высокой, чтобы окупить капитальные вложения и постоянные затраты (см. правую часть гипотетической полномасштабной кривой диспетчеризации).

Повторная отправка

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.

Операция на несколько минут вперед

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. 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

Основные статьи: Регулирование частоты и Регулирование напряжения и управление реактивной мощностью

Небольшие несоответствия между общим потреблением 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, 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

Секунды после контроля

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:

• асинхронные двигатели самонастраиваются (более низкая частота снижает потребление энергии);
• реле пониженной частоты отключают прерываемые нагрузки ;
• вспомогательные услуги (снижается нагрузка 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. Это параметр, который аппроксимируется коэффициентом частотного смещения при расчете ошибки управления площадью (ACE), используемом для автоматического управления генерацией .

Минуты после контроля

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).

Третичный контроль

Третичный контроль включает в себя развертывание и восстановление резервов на случай текущих и будущих непредвиденных обстоятельств.

Контроль времени

Основная статья: Исправление ошибок времени (TEC)

Цель управления временем – поддерживать долговременную частоту 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). ), 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.

Источники

• 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.