CC BY
88
Машиностроение к компьютерные технологии
Сетевое научное издание
http://www.technomagelpub.ru
Ссылка на статью:
// Машиностроение и компьютерные технологии. 2017. № 12. С. 57-65.
Представлена в редакцию: 03.11.2017
© НП «НЭИКОН»
УДК 621.31
Оценка целесообразности перехода городских распределительных электросетей к уровню напряжения 20 кВ
ЬСуЗЬМИНа И.А.1' кидгипацша@уап&х.ш
1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
Работа посвящена анализу вопроса повышения уровня напряжения городских распределительных электросетей. В статье даны основные характеристики распределительной электросети Москвы, описаны ее основные проблемы. Обозначены основные достоинства и недостатки процесса повышения уровня напряжения электросетей, приведены результаты расчетов потерь в кабельных линиях 6, 10 и 20 кВ. Представлена мировая практика повышения уровня напряжения электросетей. Работа выполнена при поддержке Гранта РФФИ 16-3700353.
Ключевые слова: городские распределительные электросети; уровень напряжения 20 кВ; повышение уровня напряжения; пропускная способность электросети; оценка экономической целесообразности; модернизация электросетей
Введение
Высокие темпы развития крупных городов привели к стремительному росту энергопотребления и повышению плотности электрических нагрузок в целом [1]. Создание и активное развитие электросетей в России пришлось на начало 20 века, однако структура электросети, которую сегодня можно наблюдать в Москве, преимущественно сложилась в середине-конце 20 века. В те времена электричество только входило в повседневную жизнь человека и промышленность, прогнозировать столь быстрые темпы роста энергопотребления было невозможно. К сожалению, необходимо признать, что к началу 21 века распределительные сети электроснабжения 10/0,4 кВ стали неэффективными и неконкурентноспособными. По вопросам энергосбережения и энергобезопасности Россия долгое время занимала отстающие позиции в рейтинге стран Мира [2]. Однако, многочисленные программы правительства, направленные на улучшение данных показателей, привели к зничительному улучшению ситуации [3].
1. Состояние распределительных электросетей в Москве сегодня
Основными проблемами, с которыми сталкиваются электросетевые компании сегодня, являются сильная загруженность сетей (свободный ресурс практически отсутствует), а также высокая степень износа основных фондов (более 40% от всего объема электросетевого оборудования). Кроме того, в сетях практически отсутствуют системы автоматизации. Это и многие другие факторы приводят низкому уровню энергоэффективности и надежности. Модернизация и усовершенствование электросетей является обязательным шагом на пути к эффективному и безопасному электроснабжению.
Плотность нагрузок некоторых районов Москвы достигает
400-500 МВт/км2 [1]. Согласно прогнозу ЗАО "Агентство прогнозирования балансов электроэнергии" (АПБЭ), среднегодовые темпы роста электрических нагрузок в городе Москве в перспективе до 2020 года составляют 3,1 - 4,2%. Таким образом, к 2020 году годовое потребление электроэнергии может составить 62-64 млрд. кВтхч [4].
К особенностям электросетей Москвы можно отнести высокую концентрацию электрических нагрузок, приходящуюся на население (около 55% от общего объема) и сектор торговли, услуг и общественного питания (около 17%). При этом одни из самых высоких темпов увеличения роста потребления в последние годы имеются также в секторе жилого фонда и услуг. Большое число потребителей на уровне напряжения 0,4 кВ приводит к высокой разветвленности сети [5]. Это, несомненно, сказывается на надежности энергоснабжения, а также приводит к повышению затрат электросетевых компаний.
Существующие в настоящее время распределительные сети электроснабжения Москвы не в состоянии обеспечить необходимую пропускную способность и нуждаются в реконструкции. Согласно Энергетической стратегии города Москвы на период до 2025 года, приоритетным направлением развития распределительной электрической сети города является переход на уровень напряжения 20 кВ [6]. Аналогичные положения содержатся и в документах [7-9].
2. Оценка основных преимуществ и недостатков перехода к уровню
напряжения 20 кВ
К основным преимуществам перехода распределительных электросетей к уровню напряжения 20 кВ можно отнести:
1. Увеличение пропускной способности электросети
Современные темпы развития города приводят к интенсивному увеличению электропотребления как в промышленном секторе, так и в бытовом. При этом высокая плотность застройки приводит к невозможности строительства новых объектов электросетевого хозяйства в некоторых районах города. Многочисленные расчеты показали, что повышение уровня напряжения приводит к увеличению пропускной способности электросети в 2 и более раза [10].
2. Снижение потерь электроэнергии и напряжения при передаче.
Рассмотрим простейший фрагмент электросети, состоящей из центра питания (ЦП) и трансформаторной подстанции (ТП), соединенных кабельной линией КЛ (рис. 1).
ПЦ ТП
КЛ_/^ГЛ „ Нагрузка
2~кгд Б^ЮО кВ * А
110/6 нВ
по/Юка
110/20 чВ
Рис. 1. Схема фрагмента электросети
Для представленной на рис. 1 схемы выполнены расчеты нагрузочных потерь, кВтхч/год (I) и приведенных потерь, % (II) в кабельных линиях 6/10/20 кВ соответственно (табл. 1).
Таблица 1. Нагрузочные и приведенные потери в кабельных линиях 6/10/20 кВ
Сечение КЛ, мм2 6 кВ 10 кВ 20 кВ
I II I II I II
120 407 1,15 146 0,23 36 0,8
150 341 0,98 123 0,15 30 0,7
185 257 0,67 92 0,12 23 0,6
240 197 0,55 71 0,10 17 0,4
Вычисления проводились с помощью моделирования в интерактивном программном комплексе БЬКЕТ [11].
Анализ полученных данных показал, что нагрузочные потери в линиях 20 кВ в среднем в 5-10 раз меньше, чем в КЛ 6/10 10 кВ. При этом стоит отметить, что стоимость КЛ 20 кВ в 1,8 - 2,3 раза больше, чем кабелей 10 кВ за счет наличия в них освинцованных жил.
Общая протяженность КЛ распределительных электросетей всех уровней напряжения Москвы составляет более 70000 км [12], таким образом, повышение уровня напряжения приведет к существенному сокращению расходов электросетевой компании.
Следует отметить и недостатки повышения уровня напряжения распределительных электросетей. Повышение уровня напряжения приведет к удорожанию энергосистемы и затрат на эксплуатацию. Полный переход к электросети более высокого уровня напряжения потребует колоссальных затрат и замену тысяч километров КЛ, трансформаторов и другого оборудования. При этом большая часть расходов будет возложена на потребителей в виде повышенных тарифов [13]. В условиях экономической нестабильности, оце-
нить ущерб экономики отдельных предприятий и экономики страны в целом затруднительно.
3. Мировая практика перехода к уровню напряжения 20 кВ
Принято считать, что повышение уровня напряжения является особо актуальным для крупных промышленных предприятий. В мировой практике существуем множество примеров, подтверждающих данное заключение.
Электросети напряжением 20/0,4 кВ эксплуатируются во многих городах Европы (Франция, Болгария, Чехия и пр.), Японии и пр. [14]. В Москве сети электроснабжения 20/0,4 кВ эксплуатируются на некоторых новых пилотных районах комплексной застройки - Москва-Сити и Ходынское поле (80000 кВА). Также уровень напрояжения 20/0,4 кВ реализуется на территории инновационного центра "Сколково". На ряду с повышением уровня напряжение на территории Сколково планируется построение первой в России полноценной системы SmartGrid.
Если говорить о технической стороне вопроса повышения уровня напряжения распределительных электросетей, то здесь сомнения в целесообразности такой модернизации не возникает. Если же говорить о вопросе с экономической точки зрения, то мнения экспертов по данному вопросу сильно расходятся. Дело в том, что настоящий момент отсутствует реальный опыт полного перехода городских распределительных электросетей с уровня напряжения 6-10 кВ к уровню 20 кВ. Частичный переход, произведенный в некоторых странах мира и регионах России, не позволяет сделать достоверное заключение.
Анализ экономической эффективности перехода промышленных предприятий к уровню напряжения 20 кВ показал, что срок окупаемости в среднем составляет 4,5-10 лет [15]. Широкий диапазон разброса показателей связан с учетом предприятий с различными режимами работы.
Заключение
Вопрос повышения уровня напряжения распределительных электросетей в Москве был предметом активных обсуждений еще 15-20 лет назад. Так, в работе [4] автор скептически относится к перспективе перехода к уровню напряжения 20 кВ, указывая на тот факт, что указанные меры не приводят к повышению надежности сетей в целом.
Расчеты и анализ мировой практики повышения уровня напряжения распределительных электросетей показал, что переход к уровню напряжения 20 кВ является затратной, однако, необходимой мерой модернизации и развития электросетей.
Список литературы
1. Бирюков П.П. Энергетическая стратегия Москвы // Топливно-энергетический комплекс России: Федеральный справочник. Т. 14. М., 2014. С. 89-96.
2. Давыдов А.В. Энергетическая безопасность и энергосбережение как основные направления развития экономики России // Молодой ученый. 2012. № 5(40). С. 145-148. Режим доступа: https://moluch.ru/archive/40/4686/ (дата обращения 08.01.2018).
3. Россия заняла шестое место в рейтинге 2016 Energy Trilemma среди стран-лидеров в области обеспечения энергетической безопасности. Режим доступа: http://www.elec.ru/news/2016/10/12/rossiya-zanyala-shestoe-mesto-v-rejtinge-2016-ener.html (дата обращения 08.01.2018).
4. Прогноз развития энергетики мира и России 2016 / Под ред. А.А. Макарова, Л.М. Григорьева, Т.А. Митровой; ИНЭИ РАН-АЦ при правительстве РФ. М., 2016. 196 с.
5. Маслов А.Н., Свистунов А.С. Проблемы и особенности построения распределительных сетей крупных городов и мегаполисов. Режим доступа:
http://www.ruscable.ru/article/Problemy i osobennosti postroeniya/ (дата обращения 08.01.2018).
6. Об энергетической стратегии города Москвы на период до 2025 года: постановление Правительства Москвы № 1075-ПП от 2 декабря 2008 г.
7. СТО 70238424.29.240.10.009-2011. Распределительные электрические сети. Подстанции 6-20/0,4 кВ. Условия создания. Нормы и требования. Введ. 2011-06-30. М.: НП «ИНВЭЛ», 2011. 20 с.
8. О схеме электроснабжения города Москвы на период до 2020 года (распределительные сети напряжением 6-10-20 кВ): постановление Правительства Москвы от 14 декабря 2010 г. № 1067-ПП.
9. Об утверждении Генеральной схемы энергоснабжения города Москвы на период до 2020 года: постановление Правительства Москвы от 9 февраля 2012 года № 37-ПП.
10. Черепанов В.В., Суворова И.А. Исследование технико-экономической целесообразности применения напряжения 20 кВ в городских электрических сетях // Энергобезопасность и энергосбережение. 2012. № 5. С. 12-14.
11. Кузьмина И.А. Системы автоматизации проектирования объектов электроэнергетики. Интерактивный программный комплекс ELNET // Информатизация инженерного образования: междунар. науч.-практ. конф. ИНФОРИНО 2016 (Москва, 12-13 апреля 2016 г.): Труды. М., 2016. С. 346-347.
12. Скляров Е.В. Москва - город эффективной энергетики // Топливно-энергетический комплекс России: Федеральный справочник. Т. 13. М., 2013. С. 201-205.
13. Эксперты: Переход на распределительные сети с напряжением 20 кВ - дорогостоящий процесс, который профинансируют потребители. Режим доступа: http://elektrovesti.net/47988 eksperty-perekhod-na-raspredelitelnye-seti-s-napryazheniem-20-kv-dorogostoyashchiy-protsess-kotoryy-profinansiruyut-potrebiteli (дата обращения 08.01.2018).
14. Borscevskis О., Gavrilovs G. 20kV voltage adaptation problems in urban electrical networks. Режим доступа: http://egdk.ttu.ee/files/sf2011/CPE2011_Student_Forum_068-071.pdf (дата обращения 08.01.2018).
15. Буре И.Г., Гусев А.В. Повышение напряжения до 20-25 кВ и качество электроэнергии в распределительных сетях // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2005. № 5. С. 30-32.
Mechanical Engineering & Computer Science
Mechanical Engineering and Computer Science, 2017, no. 12, pp. 57-65.
Received: 03.11.2017
Electronic journal
http://www.technomagelpub.ru © NP "NEICON"
Feasibility Assessment of Urban Electricity Distribution Networks Transition to the Voltage Level of 20 kV
I.A. Kuzmina1 kuzn^aiimaiSyandgxju
:Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: urban electricity distribution networks; voltage level 20 kV; voltage level increase; power
grid capacity; economic feasibility assessment; electricity network modernization
The article gives a feasibility assessment for increasing a voltage level of the urban electricity distribution networks from 6 and 10 kV to 20 kV.
The emphasis is on the urban electricity distribution network in Moscow. It is noted that by now the reliability, efficiency and automation indicators of Moscow electrical grids are substantially lower than those of Europe, America, etc. The electrical grids in Moscow have a high wear and tear of equipment, a historically developed non-optimal structure, and a high loading level. In recent years, the situation has been significantly improved due to numerous government programs for the development of the electric power industry.
It was noted that the high rate of development in Moscow resulted in a significantly increasing density of power loads. So modernisation of grids is a necessary-and-proper step to deliver electric power of good quality and in appropriate volume to all consumers. As the most promising option of such modernisation, the article's proposal is to increase a voltage level of the electrical grid of medium voltage from 6 and 10 kV to 20 kV.
The main advantages of the electrical grid transition to the higher voltage level is an increased power grid capacity and reduced losses of voltage and electric power when transmitting through the electrical grid elements. The article presents some calculations to prove decreasing several times losses in medium voltage cable lines. The shortcoming of the transition to an electrical grid of 20 / 0.4 kV is significant implementation costs, most of which will lead to increasing tariff for consumers.
The experience of other countries examined in the article proves that increasing voltage level of the distribution network in Moscow and other megacities is expedient. At the same time, a gradual introduction of 20 / 0.4 kV substations to the electrical grid structure with a gradual unloading and elimination of 10 kV electrical grid elements is expected. The article appeals to
successful experience available in the transition of large industrial enterprises to a voltage level of 20 / 0.4 kV.
References
1. Biryukov P.P. Energeticheskaia strategia Moskvy [The energy strategy of Moscow]. Toplivno-energeticheskij kompleks Rossii: Federal'nyj spravochnik [The fuel and energy complex of Russia]: A federal handbook. Vol. 14. Moscow, 2014. Pp. 89-96 (in Russian).
2. Davydov A.V. Energy security and energy efficiency as the main directions of development of economy of Russia. Molodoj uchenyj [The Young Scientist], 2012, no. 5(40), pp. 145148. Available at: https://moluch.ru/archive/40/4686/ , accessed 08.01.2018 (in Russian).
3. Rossiia zaniala shestoe mesto v rejtinge 2016 Energy Trilemma sredi stran-liderov v oblasti obespecheniia energeticheskoj bezopasnosti [Ranks 6th in 2016 Energy Trilemma in energy security of leading countries]. Available at: http://www.elec.ru/news/2016/10/12/rossiya-zanyala-shestoe-mesto-v-rejtinge-2016-ener.html , accessed 08.01.2018 (in Russian).
4. Prognoz razvitia energetiki mira i Rossii 2016 [Forecast of development of global and Russian energy 2016] / Ed. by A.A. Makarov, L.M. Grigor'eva, T.A. Mitrovoj. Moscow, 2016. 196 p. (in Russian).
5. Maslov A.N., Svistunov A.S. Problemy i osobennostipostroeniia raspredelitel'nykh setej krupnykh gorodov i megapolisov [Problems and features of construction of distribution networks of large cities and megacities]. Available at:
http://www.ruscable.ru/article/Problemy i osobennosti postroeniya/ , accessed 08.01.2018 (in Russian).
6. Ob energeticheskoj strategii goroda Moskvy naperiod do 2025 goda [About energy strategy of the city of Moscow for the period till 2025]: the Moscow Government resolution № 1075-PP dated December 2nd, 2008 (in Russian).
7. STO 70238424.29.240.10.009-2011. Raspredelitel'nye elektricheskie seti. Podstantsii 620/0,4 kV. Usloviia sozdaniia. Normy i trebovaniia [STO 70238424.29.240.10.009-2011. The electrical distribution system. Substations 6-20/0.4 kV. The conditions of creation. Standards and requirements]. 2011-06-30. Moscow, 2011. 20 p. (in Russian).
o
. O skheme elektrosnabzheniia goroda Moskvy na period do 2020 goda (raspredelitel'nye seti napriazheniem 6-10-20 kV) [About the power supply scheme of the city of Moscow for the period till 2020 (the distribution network voltage 6-10-20 kV)]: the Moscow Government resolution № 1067-PP dated December 14th, 2010 (in Russian).
9. Ob utverzhdenii General'noj skhemy elektrosnabzheniia goroda Moskvy na period do 2020 goda [Approval of the General scheme of energy supply of the city of Moscow for the period till 2020]: the Moscow Government resolution № 37-PP dated February 9th, 2012 (in Russian).
10. .Cherepanov V.V., Suvorova I.A. Researching of technical and economic expediency of applicability 20 kV voltage in urban power networks. Energobezopasnost' i energosberezhenie [Energy-safety and Energy-economy], 2012, no. 5, pp. 12-14 (in Russian).
11. Kuz'mina I.A. Sistemy avtomatizatsii proektirovaniia ob'ektov elektroenergetiki. Interaktivnyj programmnyj kompleks ELNET [System of automation of designing of objects of power. Interactive software complex ELNET]. Informatizatsiia inzhenernogo obrazovaniia: Mezhdunarodnaia nauchno-prakticheskaia konferentsiia: INFORINO-2016 [Informatization of engineering education: Intern. scientific and practical. conf.: INFORINO 2016 (Moscow, April 12-13, 2016)]: Proc. Moscow, 2016. Pp. 346-347 (in Russian).
12. .Skliarov E.V. Moskva - gorod effektivnoj energetiki [Moscow - energy efficient city]. Toplivno-energeticheskij kompleks Rossii: Federal'nyj spravochnik [The fuel and energy complex of Russia]: A federal handbook. Vol. 13. Moscow, 2013. Pp. 201-205 (in Russian).
13. Eksperty: perekhod na raspredelitel'nye seti s napriazheniem 20 kV - dorogostoiashchij protsess, kotoryj profinansiruyut potrebiteli [Experts: Transition to distribution network with a voltage of 20 kV is an expensive process that will finance customers]. Available at: http://elektrovesti.net/47988 eksperty-perekhod-na-raspredelitelnye-seti-s-napryazheniem-20-kv-dorogostoyashchiy-protsess-kotoryy-profinansiruyut-potrebiteli, accessed 08.01. 2018 (in Russian).
14. Borscevskis O., Gavrilovs G. 20kV voltage adaptation problems in urban electrical networks. Available at: http://egdk.ttu.ee/files/sf2011/CPE2011 Student Forum 068-071.pdf , accessed 08.01. 2018.
15. .Bure I.G., Gusev A.V. The increase in voltage of 20-25 kV and power quality in distribution networks. ELEKTRO. Elektrotekhnika, elektroenergetika, elektrotekhnicheskaia promyshlennost' [ELECTRO. Electrical Engineering, Electricity, Electrical Industry], 2005, no. 5, pp. 30-32 (in Russian).
