CC BY
3УДК 621.311
О.А. Белов, Г.С. Мясников
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: boa-1@mail.ru
ОЦЕНКА ДИНАМИКИ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГЕНЕРАЦИИ В КОЗЫРЕВСКОМ ИЗОЛИРОВАННОМ ЭНЕРГОУЗЛЕ КАМЧАТСКОГО КРАЯ
Обеспечение надежного и эффективного электроснабжения в изолированных системах является актуальной задачей, обусловленной возможностью возникновения опасных кризисных явлений в случае нарушения устойчивости системы. С точки зрения удаленности от центральных электрических сетей и особенностей своего географического положения Козыревский изолированный энергоузел представляет особый интерес для изучения структуры генерации, особенностей электропотребления и формирования балансов электроэнергии и мощности. Представленная комплексная оценка динамики электропотребления в Козыревском изолированном энергоузле позволяет спрогнозировать перспективы его развития в рамках электроэнергетического комплекса Камчатского края. На основе анализа энергетической структуры Козыревского изолированного энергоузла и динамики электропотребления рассчитаны действующий и перспективный балансы электроэнергии и мощности, а также рассмотрены варианты развития системы электроснабжения в данном энергоузле.
Ключевые слова: электроэнергия, система электроснабжения, энергоузел, генерирующие мощности, энерготариф, электрический баланс, гидроэнергетика.
О.А. Belov, G.S. Myasnikov
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: boa-1@mail.ru
EVALUATION OF ELECTRIC CONSUMPTION DYNAMICS AND PROSPECTS FOR GENERATION DEVELOPMENT IN THE KOZYREVSKY INSULATED POWER CENTER OF THE KAMCHATKA TERRITORY
Ensuring reliable and efficient power supply in isolated systems is an urgent task due to the possibility of dangerous crisis phenomena in the event of system stability violation. From the point of view of remoteness from the central electrical networks and the peculiarities of its geographical location, the Kozyrevsky isolated energy center is of particular interest for studying the generation structure, the characteristics of electricity consumption and the formation of electricity and power balances. The presented comprehensive assessment of the power consumption dynamics in the Kozyrevsky isolated energy center makes it possible to predict the prospects for its development within the framework of the electric power complex of the Kamchatka Territory. Based on the analysis of the Kozyrevka isolated power center energy structure and the dynamics of power consumption, the current and prospective balances of electricity and capacity are calculated, and options for the development of the power supply system in this power center are considered.
Key words: electric power, power supply system, power/energy center, generating capacities, energy tariff, electric balance, hydropower.
Повышение эффективности объектов генерации в зонах децентрализованного электроснабжения, несомненно, является актуальной задачей, требующей разработки и внедрения эффективных методов оптимизации систем электроснабжения в изолированных энергоузлах. В большинстве случаев необходима оценка возможности и перспектив использования нетрадиционных возобновляемых источников электроэнергии в децентрализованных системах. Кроме того, требуется дополнительная проработка вопросов повышения надежности и эффективности отдельных
элементов системы электроснабжения изолированных энергоузлов. В научных работах [1-3] подчеркивается, что для оптимизации системы электроснабжения конкретного изолированного энергоузла необходимо найти оптимальный баланс между генерацией и потреблением электрической энергии.
Вместе с тем неоднородность структуры генерации и потребления электрической энергии в зонах децентрализованного электроснабжения не позволяет использовать какой-либо универсальный подход в решении задач оптимизации. Требуется учитывать множество дополнительных факторов, связанных с конкретным изолированным энергоузлом.
В этой связи исследование структуры генерации Козыревского изолированного энергоузла в совокупности с анализом существующего электропотребления, а также разработка прогноза электропотребления на перспективу, имеет высокую научную и практическую значимость.
Козыревский изолированный энергоузел расположен в восточной части полуострова Камчатка на территории Усть-Камчатского муниципального района и обеспечивает электроснабжение потребителей п. Козыревска и с. Майского. Общая информация по Козыревскому энергоузлу приведена в табл. 1.
Таблица 1
Общие сведения о Козыревском изолированном энергоузле
Муниципальное образование Поселение Населенный пункт Энергоисточник Население, чел. Расстояние до централизованных сетей, км
Усть-Камчатский муниципальный район Козыревское сельское поселение п. Козыревск с. Майское ДЭС-16, локальные системы электро- и теплоснабжения 958 494
Анализ функционирования системы электроснабжения Козыревского изолированного энер-гоузела проводился на основе математической обработки статистических данных с использованием методов нормативного прогнозирования. Рассматривалась общая структура системы генерации в энергоузле, и анализировалась динамика потребления электроэнергии и мощности за прошедший пятилетний период.
В зону влияния Козыревского энергоузла входят пос. Козыревск и с. Майское. Козыревск удален от ближайшего Средне-Камчатского энергоузла на расстояние 50 км. Электроснабжение энергоузла осуществляется от ДЭС-16 установленной мощностью 2,23 МВт, находящейся в Козыревске. Потребители села Майского питаются от ДЭС-16 (Козыревск) по ВЛ 35 кВ Козыревск - Майское.
Протяженность ВЛ 35 кВ, количество и суммарная мощность ПС 35 кВ Козыревского энергоузла приведены в табл. 2.
Таблица2
Характеристика сетевого хозяйства Козыревского изолированного энергоузла
Наименование Год ввода Длина ВЛ 35 кВ, км Мощность ПС 35 кВ, шт. х МВА
ВЛ 35 кВ ДЭС-16 (Козыревск) - Майское 1998 27,9 -
ДЭС-16 (Козыревск) 1986 - 1 х 1,6
ПС 35 кВ Майское 1978 - 1 х 1
Всего 27,9 2 х 2,6
Анализ технического состояния электросетевых объектов напряжением 35 кВ показал, что силовое оборудование 100% от общей трансформаторной мощности 35 кВ отработало более 30 лет. Все воздушные линии электропередачи 35 кВ выполнены на деревянных опорах. В связи с этим требуется реконструкция ПС 35 кВ с. Майского с заменой установленного трансформатора мощностью 1 МВА на новый, так как срок эксплуатации трансформатора превышает нормируемый [4, 5].
Данные за 2021 г. по установленной мощности и годовой выработке электроэнергии в Козы-ревском изолированном энергоузле представлены в табл. 3.
Таблица 3
Установленные мощности (на 01.01.2022 г.) и годовые выработки (за 2021 г.) электростанций Козыревского изолированного энергоузла
Населенный пункт Наименование ген. источника Установленная мощность, МВт Доля, % Годовая выработка, Млн кВт/ч Доля, %
Суммарно по изолированным энергоузлам Камчатского края 106,79 100,0 220,647 100,0
п. Козыревск ДЭС-16 2,23 2,1% 3,442 1,6%
Оценка эксплуатационной эффективности электроснабжения показала, что процент потребления электроэнергии на собственные нужды электростанции и технологические потери электроэнергии в сетях Козыревского изолированного энергоузла находятся в допустимых пределах [6, 7].
В рассматриваемом периоде преимущественно наблюдалась отрицательная динамика электропотребления Козыревского энергоузла. Так, в 2021 г. электропотребление энергоузла составило 3,45 млн кВт/ч, что на 0,11 млн кВтч (— 3,09 %) ниже уровня 2017 г.
В 2021 г. максимальное потребление мощности Козыревского энергоузла было зафиксировано на уровне 0,70 МВт, что на 0,13 МВт ниже максимального потребления мощности в 2017 г.
Суммарные показатели электропотребления и средние показатели максимального потребления мощности Козыревского энергоузла за пятилетний период представлены в табл. 4.
Таблица 4
Показатели электропотребления в Козыревском изолированном энергоузле
Наименование 2017 г. 2018 г. 2019 г. 2020 г. 2021 г.
Электропотребление, млн кВт/ч 3,56 3,45 3,47 3,45 3,45
Абсолютный прирост электропотребления, млн кВт/ч — 0,16 — 0,11 0,02 0,02 0,00
Годовой прирост электропотребления, % — 4,30 — 3,09 0,58 0,54 0,00
Максимальное потребление мощности, МВт 0,83 0,72 0,72 0,73 0,70
Абсолютный прирост максимального потребления мощности, МВт 0,03 — 0,11 0,00 0,01 — 0,03
Годовой прирост максимального потребления мощности, % 3,75 — 13,25 0,00 1,39 — 4,11
Динамика потребления электрической энергии и мощности в Козыревском энергоузле за пятилетний период наглядно представлена на рис. 1.
6
-
а
и
я
m о
& Г н н - 09
е- И
m à о» В
<и П \о и а н о
CÎ
0,83
0,7
3,56
3,45
3,47
3,45
3,45
1
и
ч
H §
■a S
5 S 5 о
о
и
ев
2017 г.
2018 г. 2019 г.
2020 г.
2021 г.
5
4
3
2
1
0
0
Рис. 1. Динамика потребления электрической энергии и мощности
Основной причиной низкой динамики электропотребления в Козыревском изолированном энергоузле является высокий экономически обоснованный тариф на электроснабжение и низкий уровень развития инфрастуктуры. Электроснабжение в энергоузле осуществляется исключительно
за счет ДЭС, работающей на дорогостоящем привозном дизельном топливе. Высокая стоимость обслуживания электроэнергетических объектов обусловлена такими факторами, как сложные климатические условия (циклоны, ветровые нагрузки, гололедообразование), географическая удаленность энергоузла, отсутствие развитой транспортной инфраструктуры [8, 9].
Анализ баланса мощности и электрической энергии показал, что генерирующие источники Козыревского изолированного энергоузла полностью обеспечивали потребность в мощности и электроэнергии в 2021 г.
Фактический баланс мощности и электрической энергии Козыревского изолированного энергоузла за 2021 г. представлен ниже в табл. 5.
Таблица 5
Данные по балансу электрической генерации за 2021 г.
Населенный пункт Наименование ген. источника Максимум потребления мощности, МВт Установленная мощность, МВт Дефицит (-) / Избыток (+), МВт Годовая выработка (электропотребление), млн кВт/ч ЧЧИ собственного максимума нагрузки
п. Козыревск ДЭС-16 0,68 2,23 1,55 3,44 850
За анализируемый период баланс мощности Козыревского изолированного энергоузла складывался избыточно по установленной мощности. Величина фактического резерва установленной мощности источников генерации составила почти 70%.
На основании проведенного анализа динамики потребления электроэнергии и мощности за прошедший пятилетний период в Козыревском изолированном энергоузле разработан прогноз потребления электроэнергии и мощности.
Прогноз потребления электрической энергии и мощности в Козыревском изолированном энергоузле на пятилетний период сформирован с учетом прогноза полезного отпуска электроэнергии потребителям населенных пунктов в соответствии с информацией, предоставленной ПАО «Камчатскэнерго», а также с учетом изменения потребления электрической энергии и мощности в соответствии с утвержденными техническими условиями на технологическое присоединение. Данные прогноза представлены в табл. 6.
Таблица 6
Прогноз электропотребления и максимального потребления мощности в Козыревском энергоузле
на перспективу 2022-2026 гг.
Наименование 2021 (отчет) 2022 2023 2024 2025 2026
Электропотребление, млн кВт/ч 3,45 3,59 3,59 3,59 3,59 3,59
Абсолютный прирост электропотребления, млн кВт/ч 0,00 0,14 0,00 0,00 0,00 0,00
Годовой прирост электропотребления, % 0,00 4,06 0,00 0,00 0,00 0,00
Максимальное потребление мощности, МВт 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73
Абсолютный прирост максимального потребления мощности, МВт 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Годовой прирост максимального потребления мощности, % 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
В рассматриваемой перспективе роста нагрузки в Козыревском изолированном энергоузле не ожидается. Прогнозируемая динамика потребления электрической энергии и мощности в Ко-зыревском изолированном энергоузле на пятилетнюю перспективу представлена в виде диаграммы на рис. 2.
Таким образом, как видно из диаграммы, в рассматриваемом перспективном периоде рост потребления электрической энергии и мощности не прогнозируется.
На основе представленных прогнозов потребления электроэнергии и мощности, а также с учетом состава генерирующих источников в энергоузле, сформированы перспективные балансы мощности и электроэнергии на период 2022-2026 гг. Балансы мощности и электрической энергии по Козыревскому изолированному энергоузлу на пятилетний период представлены ниже в табл. 7 и 8.
Рис. 2. Прогнозируемая динамика годового электропотребления и максимального потребления мощности
на перспективу 2022-2026 гг.
Таблица 7
Прогнозируемый баланс мощности на период 2022-2026 гг.
Наименование ген. источника Наименование показателя Единица измерения 2021 г. (отчет) 2022 г. 2023 г. 2024 г. 2025 г. 2026 г.
ДЭС-16 Рмакс МВт 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73
Руст МВт 2,23 2,23 2,31 2,31 2,31 2,31
Дефицит/ избыток МВт 1,50 1,50 1,58 1,58 1,58 1,58
% 205 205 216 216 216 216
Таблица 8
Прогнозируемый баланс электрической энергии на период 2022-2026 гг.
Наименование ген. источника Наименование показателя Единица измерения 2021 г. (отчет) 2022 2023 2024 2025 2026
ДЭС-16 Выработка Млн кВт/ч 3,44 3,60 3,60 3,60 3,60 3,60
ЧЧИ час 1544 2230 2230 2230 2230 2230
Анализ прогнозируемого баланса мощности в Козыревском изолированном энергоузле показал, что баланс мощности складывается с избытком установленной мощности на всем рассматриваемом перспективном периоде.
Баланс электроэнергии анализируемого энергоузла складывается удовлетворительно. Число часов использования (ЧЧИ) установленной мощности электростанции ДЭС-16 находится в допустимых пределах.
Особенностью и основной проблемой функционирования Козыревского изолированного энергоузла является использование дорогостоящего привозного дизельного топлива и высокая стоимость обслуживания электроэнергических объектов, вследствие чего энергетический узел имеет высокий экономически обоснованный тариф на электроснабжение [10, 11].
Одним из вариантов повышения эффективности электроснабжения отдельных изолированных энергоузлов согласно [12] является возможность использования солнечных электростанций (СЭС).
Расчеты по укрупненной оценке экономической эффективности применения СЭС в Козы-ревском изолированном энергоузле на основе данных о себестоимости производства электроэнергии на СЭС и ее сравнения с существующей топливной составляющей себестоимости производства электроэнергии показали, что на территории рассматриваемого изолированного энергоузла строительство СЭС экономически нецелесообразно, так как себестоимость производства электроэнергии в этом случае выше топливной составляющей.
С целью повышения эффективности электроснабжения Козыревского изолированного энергоузла также целесообразно рассмотреть возможность использования ветряных электростанций
(ВЭС) на его территории. По данным наблюдений, среднегодовая скорость ветра в районе поселка Козыревск на высоте 30 метров составляет около 4,4 м/с [13].
В соответствии с опытом эксплуатации ВЭС в п. Усть-Камчатск Камчатского края оценка экономической эффективности строительства ВЭС для поселка Ключи показала низкую рентабельность данного проекта.
С учетом мирового опыта и опыта организации электроснабжения потребителей Камчатского края наиболее перспективным вариантом развития изолированных энергоузлов является строительство малых ГЭС. Оценка экономической эффективности строительства малых ГЭС для целей электроснабжения Козыревского изолированного энергоузла и расчет себестоимости производства электроэнергии на малых ГЭС показали, что в этом случае себестоимость производства электроэнергии составит менее 4 руб. за 1 кВт/ч.
Анализ опыта эксплуатации электроэнергии малых ГЭС, в том числе функционирующих на территории Камчатского края, показал, что себестоимость электроэнергии, производимой с использованием гидроресурсов, существенно ниже действующей топливной составляющей. Даже с учетом дополнительных затрат на эксплуатацию, связанных с климатическими и географическими особенностями данной территории, введение в генерацию малых ГЭС будет способствовать снижению экономически обоснованного тарифа на электроэнергию в изолированных энергоузлах Камчатского края, в том числе и в Козыревском энергоузле [14].
В этом направлении рассматривается как потенциальный проект малой ГЭС на р. Белой, приток р. Камчатки, мощностью более 20 МВт, в доступной близости от поселка Козыревска. Реализация данного проекта и введение в эксплуатацию малой ГЭС значительно повысят эффективность и надежность электроснабжения в Козыревском изолированном энергоузле.
Результаты, представленные в данной работе, согласуются с результатами исследований российских и зарубежных ученых [15, 16] и подтверждают необходимость поиска оптимального баланса между генерацией и потреблением электроэнергии, а также показывают необходимость более широкого использования местных возобновляемых источников электроэнергии. Снижение себестоимости производства электроэнергии в Козыревском энергоузле возможно за счет реализации проектов по освоению потенциала местной гидроэнергетики.
Таким образом, для повышения эффективности электроснабжения в Козыревском изолированном энергоузле необходимо разработать и реализовать мероприятия по замещению дизельной генерации. Кроме того, для повышения надежности электроснабжения необходимо развивать и совершенствовать электросетевое хозяйство энергоузла.
Результатом реализации мероприятий развития генерирующих мощностей станет увеличение доли выработки электроэнергии за счет возобновляемых источников энергии и, как следствие, снижение количества сжигаемого углеводородного топлива, что в свою очередь позволит снизить тариф на электрическую энергию в Козыревском энергоузле.
Литература
1. Вezrukikh P.P. On Some Issues Assessing the Efficiency of Renewable Energy Power Plant and the Share of Renewables in the World's Electricity Generation // Journal of Electrical Engineering. -2018. - № 6. - P. 85-89.
2. Тягунов М.Г. Особенности работы установок на основе возобновляемых источников энергии в изолированных энергосистемах // Альтернативная энергетика в регионах России: Материалы молодеж. науч. конф. «АЭР-2018», 05-07 декабря 2018 г. - Астрахань. - 2018. - С. 40-44.
3. Тyagunov M.G. Determining the optimal placements of renewable power generation systems using regional geographic information system // Proceeding of the 2nd International Conference on the Applications of Information Technology to Renewable Energy Processes and Systems - IT-DREPS -2017-2018. - P. 1-6.
4. Белов О.А. Состояние электроэнергетики Камчатского края и перспективы ее развития // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. - 2021. - Т. 21. -№ 4.- С. 48-56.
5. Белов О.А. Анализ структуры генерирующей мощности в изолированных энергоузлах Камчатского края // Сборник трудов II Всерос. науч.-практ. конф. «Энергетика будущего - цифровая трансформация»; 15-17 декабря 2021 г., Липецк. - Липецк: Липецкий государственный технический университет, 2021. - С. 281-286.
6. Голубцов Н.В., Федоров О.В. Энергоэффективность экономики в аспекте инновационного инженерного образования: Материалы Девятой всерос. науч.-практ. конф. «Наука, образование, инновации: пути развития», 22-24 мая 2018 г., Петропавловск-Камчатский. - Петропавловск-Камчатский: Камчатский государственный технический университет, 2018. - С. 135-139.
7. Грачева Е.И., Тошходжаева М.И. Моделирование работоспособности электрооборудования систем электроснабжения и электрических сетей. - Казань: Казанский государственный энергетический университет, 2021. - 220 с.
8. Кагин Г.Я. Состояние и перспективы развития электроэнергетики в России // Интеллектуальная Электротехника. - 2021. - № 2. - С. 4-14.
9. Анализ перспективного развития энергообеспечения Камчатского края / Д.С. Кротенко, В.А. Семчев, О.А. Белов и др. // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2020. - № 51. - С. 6-11.
10. Никитин А.Т., Белов О.А. Перспективы развития малой энергетики как экологичной технологии // Материалы науч.-практ. конф. «Образование, наука и молодежь - 2017»; 26 октября 2017 г., Керчь. - Керчь: Керченский государственный морской технологический университет, 2017.- С. 268-272.
11. Зайченко В.М., Соловьев Д.А., Чернявский А.А. Перспективные направления развития энергетики России в условиях перехода к новым энергетическим технологиям // Окружающая среда и энерговедение. - 2020. - № 1. - С. 33-47.
12.Безруких П.П. Нетрадиционно возобновляемые источники энергии. - М.: Топливно-энергетический комплекс, 2002. - 120 с.
13.Антонов Н.В., Евдокимов М.Ю., Шилин В.А. Возобновляемая энергетика за рубежом и в регионах России // Географическая среда и живые системы. - 2020. - № 1. - С. 85-99.
14. Семчев В.А. О перспективах и проблемах развития гидроэнергетики в Камчатском крае // Горный вестник Камчатки. - 2017. - № 2 (38). - С. 36-43.
15. Weinand J.M., Scheller F., McKenna R. Reviewing energy system modelling of decentralized energy autonomy // Energy. - 2020. - № 203. - P. 117817.
16. Monte Carlo Simulation approach for economic risk analysis of an emergency energy generation system / H. Zaroni, L.B. Maciel, D.B. Carvalho, E.D.O. Pamplona // Energy. - 2019. - № 172. -P. 498-508.
