CC BY
39УДК 621.3.05, 621.31, 620.9 DOI 10.25257/FE.2018.1.58-62
СЕДНЕВ Владимир Анатольевич
Доктор технических наук, профессор Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: [email protected]
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКИХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
На основе требований, предъявляемых к надежности электроснабжения потребителей сельских поселений, её оценки и анализа недостатков в существующей организации электроснабжения потребителей, обоснованы мероприятия по обеспечению электроэнергетической безопасности территорий субъектов Российской Федерации.
Ключевые слова: потребители электрической энергии, надежность электроснабжения, электроэнергетическая безопасность территорий.
Оценка надёжности электроснабжения потребителей осуществляется на основе рекомендаций «Правил устройства электроустановок», являющихся обобщением опыта проектирования и эксплуатации электрических систем, сетей и установок.
Необходимая степень надежности электроснабжения определяется характером потребителей и масштабом ущерба при перерывах электроснабжения.
В отношении надёжности электроснабжения все электроприёмники подразделяют на три категории, причём категория относится к его виду, а не к потребителю в целом. Для объектов, требующих повышенной надёжности электроснабжения, когда перерыв в электроснабжении электроприёмников угрожает жизни людей или может приводить к взрывам и разрушениям технологического оборудования, кроме двух основных, может предусматриваться третий, независимый источник электрической энергии, мощность которого должна обеспечивать безаварийный останов производства. Этот источник электрической энергии должен автоматически включаться при исчезновении напряжения на основных источниках питания.
Если мощность электроприёмников первой категории небольшая, то вторым (или третьим) источником электрической энергии может быть передвижная электростанция.
Надёжность электроснабжения потребителей первой группы оценивается средней частотой перерывов электроснабжения потребителей и суммарной длительностью их в течение года, средней длительностью перерыва, при этом допускается вероятность возникновения не менее одного перерыва электроснабжения в год [1]. Оптимальный вариант электроснабжения определяется минимумом приведённых затрат.
При оценке надёжности электроснабжения потребителей второй группы дополнительно определяют величину ожидаемого ущерба от нарушений электроснабжения.
ПЕРЕРЫВЫ В ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ
Первая категория - НА ВРЕМЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ
резервного питания; Вторая категория - НА ВРЕМЯ ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЗЕРВНОГО ПИТАНИЯ;
Третья категория - НА ВРЕМЯ РЕМОНТА ПОВРЕЖДЁННОГО
ЭЛЕМЕНТА СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ (не БОЛЕЕ СУТОК)
ПИТАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ
Первая категория - от двух независимых источников
электрической энергии; Вторая категория - по одной воздушной линии;
- ОТ ОДНОГО ТРАНСФОРМАТОРА (ПРИ НАЛИЧИИ ПЕРЕДВИЖНОГО РЕЗЕРВНОГО ТРАНСФОРМАТОРА);
Третья категория - перерывы в электроснабжении
ДЛЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ДОПУСКАЮТСЯ НЕ БОЛЕЕ СУТОК
Для обеспечения оптимального уровня надёжности электроснабжения потребителей необходимо создание резерва мощности [2]. Критерием выбора величины резерва является минимум приведённых затрат: в энергетике - на установку и эксплуатацию дополнительной резервной мощности, у потребителей - на компенсацию ущерба от недоотпуска электрической энергии.
Сельские электрические сети характеризуются значительной протяжённостью и относительно малой плотностью нагрузок, при этом выделяют следующие их виды: осветительно-бытовую, производственную и прочие. Осветительно-бытовая нагрузка характеризуется повышением удельной освещенности и увеличением типов бытовых электроприборов (табл. 1) [3, 4].
На производственные нагрузки влияют направления сельскохозяйственного производства и проекты их электроснабжения [4]. Плотность электрической нагрузки зависит от плотности населения, объёма
58
© Седнев В. А., 2018
Таблица 1
Необходимое количество электрической энергии (ЭЭ)
на жилой дом площадью 30-45 м2 для освещения, электробытовых приборов, частичного приготовления пищи и отопления и подогрева воды (при отсутствии газификации)
и характера производства и уровня электрификации. Удельное потребление электрической энергии достигает 800-1 000 кВт-ч на сельского жителя в год, при этом использование максимальной мощности на шинах трансформаторной подстанции потребителей составляет 3 000-3 500 ч в год, плотность нагрузки достигает 700-1 500 кВт/га [1].
Плотность нагрузки может превышать указанные значения в районах с высокой плотностью населения. Расчётную (т. е. максимальную) мощность нагрузок на шинах как потребительских подстанций, так и вторичного напряжения районных подстанций рекомендуется определять умножением суммарной установленной мощности нагрузок на коэффициент спроса (табл. 2-3) [3-4].
По условиям надёжности электроснабжения сельскохозяйственные потребители разделяются также на три категории:
ПЕРВАЯ - помещения инкубаторов с электрическим обогревом, например;
ВТОРАЯ - установки по обработке молока, животноводческие и птицеводческие фермы, системы вентиляции, водоснабжения для их нужд и др.;
ТРЕТЬЯ - остальные потребители.
В то же время, как показывает анализ последствий чрезвычайных ситуаций на объектах и сооружениях электроэнергетики, перерыв в электроснабжении сельских населённых пунктов может составлять несколько дней и более [1].
Сельские подстанции сооружаются однотранс-форматорными, а в районах, куда затруднен подвоз резервного трансформатора, отдаётся предпочтение двухтрансформаторным. Подстанции мощностью 1000 кВА и выше проектируются двухтрансформа-торными, при этом электроснабжение потребителей мощностью 500-2 000 кВт осуществляют от сетей
электроэнергетических систем [3-4]. Необходимо учитывать и тот факт, что системы электроснабжения сельских районов отличаются:
- территориальной разбросанностью;
- незначительной плотностью нагрузки (на 1 кВт максимальной нагрузки потребителей приходится около 200 м электрических сетей всех напряжений);
- удельными затратами на электрические сети (на одного сельского жителя в 5-10 раз больше, чем городского);
- стоимостью сооружения электрических линий (90-95 % стоимости всего электрического оборудования электроустановок);
- себестоимостью электроэнергии (50-60 % составляют расходы на амортизацию, ремонт и обслуживание электрических сетей).
Именно поэтому в целях повышения надёжности и экономичности систем электроснабжения потребителей необходимо снижать стоимость электрических сетей и длительность отключения потребителей, что может достигаться созданием малой распределённой энергетики и резервированием и применением
Таблица 2
Рекомендуемые значения коэффициента спроса для определения расчётной мощности коммунально-бытовых нагрузок на шинах подстанции
Суммарная Коэффициент спроса для нагрузки
коммунально-бытовых и производственных нагрузок, присоединяемых к линии (380/220 В), или к подстанции, кВт коммунально-бытовой производственный смешанный*
До 10 0,55 0,65 0,5
10-25 0,5 0,58 0,45
25-50 0,45 0,5 0,37
50-100 0,37 0,4 0,31
100-200 0,29 0,32 0,25
Более 200 0,27 0,3 0,23
Примечание. *Для определения максимальной мощности на трансформаторной подстанции.
Таблица 3
Рекомендуемые значения коэффициента спроса для определения расчётной мощности коммунально-бытовых нагрузок на шинах вторичного напряжения районных подстанций
Суммарная установленная мощность всех нагрузок сельских поселений, присоединяемых к распределительной линии (10-35 кВ) или к трансформаторам районной подстанции, кВт Коэффициент спроса для нагрузки
200-500 0,22
500-1000 0,2
1000-2000 0,18
2000-6000 0,17
Свыше 6 000 0,16
Виды нагрузок Установленная Потребление ЭЭ мощность, Вт за год, кВт-ч
Внутренняя нагрузка
Освещение 250-450 280-500
Электробытовые приборы 400-600 240-360
Частичное приготовление пищи в летнее время и подогрев пищи в течение года 150-350 120-300
Подогрев воды для стирки и мытья посуды 150-300 75-150
Частичное отопление с использованием электроприборов 150-300 60-120
Итого 1 100-2 000 775-1430
Внешняя нагрузка
Уличное освещение, норма на один жилой дом 100-200 200-500
местных резервных установок непосредственно у потребителей.
Для питания небольших нагрузок используют однофазные и двухфазные ответвления от магистральных линий (при наличии потребителей мощностью менее 10 кВт), при этом сельские линии, как правило, сооружаются одноцепными, радиальными. В целях предупреждения чрезвычайных ситуаций и обеспечения надёжного электроснабжения потребителей и повышения надёжности работы сетей и электроснабжения потребителей проводят профилактические испытания аппаратуры, изоляторов и опор линий.
Целесообразно предусматривать для уменьшения ущерба от перерывов электроснабжения для сельских и удалённых потребителей передвижные электрические станции: дизельные - при нагрузках в десятки кВт для индивидуальных домовладений и газотурбинные - при нагрузках в сотни и тысячи кВт для обеспечения электроэнергией производственные сельскохозяйственные мощности или сельское поселение в целом.
Вариант резервирования электроснабжения может предполагать установку дизель-генераторной установки, при этом двигатель можно запускать вручную (первая степень автоматизации) или автоматически (вторая степень автоматизации). Время запуска дизель-генераторной установки составляет 20-60 с при условии, что температура окружающей среды будет не ниже -10 °С, поэтому её необходимо устанавливать в отапливаемых помещениях или использовать контейнер, имеющий подогрев от внешней сети.
Резервирование электроприёмников первой категории предполагается обеспечивать двумя электроагрегатами одинаковой мощности.
Дисконтированные затраты на повышение надёжности электроснабжения определяются следующим образом [1, 5]:
Тс п Тс п т
f=l 1=1 /=1 ¡=\
где K¡t - капитальные вложения в i-й элемент схемы в год /, руб.; Тс - срок суммирования затрат, лет; п -число элементов схемы; m - число видов издержек; И. - издержки в у-й элемент схемы /-го вида в год ^ руб.; а - коэффициент дисконтирования, который можно вычислить по формуле
п ( Тс
/=1 V м
дгу
¿(и.
ы
+и
топ кап.рем
)ам
Л тс
+ХИ
м
об
ОС
а,
1
(1+ £)'
где t - номер шага расчёта ^ = 0, 1, 2, ..., Т); Т - горизонт расчёта, лет; Е - норма дисконта при приемлемой норме дохода (для энергетики равна 0,1).
Дисконтированные затраты при суммарном резервировании аварийной мощности дизель-генераторной установки рассчитывается при помощи следующего математического выражения [5]:
где КДГУ - капиталовложения в резервный источник электрической энергии, тыс. руб.; п - число резервных источников электрической энергии; И , И , И , -
г г > топ кап.рем об
соответственно, издержки на топливо, капитальный ремонт и обслуживание, тыс. руб.
Расчёт дисконтированных затрат при использовании газопоршневых установок аналогичен, при этом затраты на их приобретение примерно в 2,5 раза выше, чем на приобретение дизель-генераторной установки.
Недоотпуск электроэнергии из-за аварий в системе электроснабжения можно оценить по формуле
МГ _ Р7 ^пеР
нед ша* 8760'
где t - время перерыва в электроснабжении, ч; Т -
пер г г г г >> тах
число часов использования максимума (принято 5 000 ч).
При наличии резервного источника электрической энергии недоотпуск электрической энергии для потребителя будет равен нулю. Для свёртки нескольких критериев в единый предпочтительнее ска-ляризация мультипликативным путём [5]. Однако если значения частных критериев равны нулю, то следует переходить к аддитивной форме свёртки, для которой можно использовать выражение
1=1
где /,■ - нормированный у-й частный критерий; X -коэффициент важности, оценивающий значимость у-го частного критерия.
Целесообразность применения резервного источника электрической энергии для индивидуального электроснабжения зависит от его стоимости и времени перерыва электроснабжения. При этом если устанавливается генератор мощностью 100 тыс. кВт, то рекомендуется установить одновременно 10 генераторов по 10 тыс. кВт, 100 генераторов по 1 000 кВт, и так до мощности 1-10 кВт [1, 3, 6-7].
Возведение крупных электростанций, согласно Государственному плану электрификации России 1918 года, привело к уничтожению 6,6 тыс. электростанций мощностью 100-10 000 кВт - в итоге наблюдается низкий уровень резервирования мощностей потребителей. Причём в процессе строительства систем электроснабжения удешевляли стоимость сетей, в результате гололёдно-ветровые нагрузки в большинстве районов превышают те, на которые рассчитаны линии электропередачи, при этом [1]:
- 60 % территорий находится в зоне многолетней мерзлоты;
- протяжённость сетей воздушных линий 610 кВ больше оптимальной длины 8-12 км (ещё больше это относится к сетям 0,4 кВ);
- несимметрия напряжения по фазам у 35 % потребителей доходит до 50 %, что влечет высокую аварийность работы потребителей.
Большие расстояния, которые необходимо преодолевать для доставки топливно-энергетических ресурсов, также влияют на снижение надёжности электроснабжения сельских потребителей.
Для обеспечения электроэнергетической безопасности территорий необходимо реализовать ряд мероприятий для субъектов Российской Федерации:
- проанализировать состояние энергетических ресурсов и потенциала энергосбережения и сформировать условия для учёта энергоресурсов;
- организовать учёт расходования нефтепродуктов и перевод электроснабжения в периоды пониженного электропотребления на источники электрической энергии пониженной мощности, что не менее чем на 30 % снижает затраты на оплату электроэнергии по отношению к варианту электроснабжения потребителей от энергосистемы [1];
- создать стандарт требований к потребителю энергоресурсов;
- создать программу повышения энергетической безопасности. Развитию эффективности электроэнергетического обеспечения региона препятствует неопределённость перспектив развития регионального топливно-энергетического комплекса, недоработан-ность законодательной базы в этой области и др.;
- провести учёт объектов, на которых должны быть установлены независимые от электроэнергетической системы источники питания;
- организовать условия льготного кредитования для сооружения объектов, использующих солнечную энергию, и муниципальный учёт вторичных ресурсов (энергия ветра и др.). Тогда требуется: обеспечение электрической и тепловой энергией городов и промышленных объектов на основе ревизии источников энергии и ценологического анализа [1, 6-11], что нужно для энергетической безопасности; и электрификация поселений на основе развития сетей и малой генерации на основе традиционного угле-
водородного сырья и использования местных и возобновляемых источников энергии;
- провести антимонопольное регулирование гигантов производства, стимулирование малой генерации и обеспечение прозрачности ранжирования мощностей;
- обязать сетевые компании принимать, а сбытовые - покупать электроэнергию у независимых производителей по региональным ценам, тогда станет более эффективной региональная система электроэнергетики;
- выстроить ценологическое соотношение «крупное-мелкое» в производстве и в сооружении генерирующих мощностей потребителей;
- произвести замену концепции единой энергосистемы и диспетчеризации концепцией обеспечения энергетической самостоятельности регионов, а концепцию интенсификации электросетевого строительства заменить концепцией децентрализованного энергоснабжения малообжитых территорий на основе возобновляемых источников электрической энергии;
- разработать нормы и правила, включающие обязательность использования возобновляемых источников электрической энергии и обеспечение заявительного способа их подключения к сетям, и др.
Программа должна опираться на использование традиционных, местных и возобновляемых источников энергии по уровням электроснабжения:
- для России должна быть разработана стратегия строительства крупных электростанций и развития федеральной электрической сети;
- региональные власти (субъекты РФ) должны обеспечить учёт и ранговый анализ по численности и энергообеспеченности городов и селений, соотнести это с схемой электроснабжения и осуществить Я-выст-раивание генерирующих мощностей и сетей [1, 6-11];
- поселения (сельские населённые пункты, фермерские хозяйства, индивидуальные домовладения и др.), ориентируясь на энергообеспечение 5-20 кВт и выше для каждого дома, должны предоставить ретроспективу объёмов электропотребления и оценочную перспективу для обоснования потребностей в электрической энергии для потребителей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Седнев В. А, Смуров А. В. Теоретические положения и практические предложения по обеспечению электроэнергетической безопасности субъектов Российской Федерации в чрезвычайных ситуациях. Монография. М.: Академия ГПС МЧС России, 2014. 150 с.
2. Седнев В. А. Особенности обоснования требований к системам электроснабжения пунктов временного размещения пострадавшего населения [Электронный ресурс] // Технологии техносферной безопасности. Вып. 6 (70). 2016. Режим доступа: http://academygps. ucoz.ru/ttb/2016-6/2016-6.html (дата обращения 05.02.2018 г.).
3. Кудрин Б. И. Электроснабжение промышленных предприятий. Учебник для студентов высших учебных заведений. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Интермет Инжиниринг, 2006. 672 с.
4. Руководящие материалы по проектированию электроснабжения сельского хозяйства. Утверждено Министерством энергетики и электрификации СССР 08.10.86. М.: Сельэнергопроект, 1986. 34 с.
5. Дьяченко Ю. А. Выбор средств обеспечения надежности электроснабжения птицефабрики по многокритериальной модели // Электрика. 2008. № 5. С. 31-36.
6. Седнев В. А. Методика обоснования и пути повышения эффективности электроэнергетического обеспечения объектов в условиях ресурсных ограничений [Электронный ресурс] // Технологии техносферной безопасности. 2016. Вып. 1 (65). Режим доступа: http://academygps.ucoz.ru/ttb/2016-1/2016-1 .html (дата обращения 05.02.2018 г.).
7. Кудрин Б. И. Электроснабжение. Учебник для студентов учреждений высшего профессионального образования. М.: Академия, 2012. 2-е изд., перераб. и доп. 352 с.
8. Гнеденко Б. В., Колмогоров А. Н. Предельные распределения для сумм независимых случайных величин. М.: Государтсвенное издательство технико-теоретической литературы, 1949. 264с.
9. Хинчин А. Я. Предельные законы для сумм независимых случайных величин. М.-Л.: ОНТИ, 1938. 116 с.
10. Яблонский А. И. Математические модели в исследовании науки. Монография. М.: Наука, 1986. 352 с.
11. Кудрин Б. И. Введение в технетику. Томск: Томский государственный университет. 2-изд., перераб. и доп. 1993. 552 с.
Материал поступил в редакцию 16 января 2018 года.
Vladimir SEDNEV
Grand Doctor of Philosophy in Engineering Sciences, Professor State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: [email protected]
WAYS OF IMPROVING POWER SUPPLY RELIABILITY FOR RURAL CONSUMERS
ABSTRACT
Purpose. Over the past ten years the number of long-term power supply interruptions and power outages of rural consumer facilities has increased because of emergencies at power facilities and constructions. Therefore, the object of the present study is the organization of electricity supply to rural consumer facilities, and the subject of the research is their power supply reliability.
The article substantiates the research and methodological approach to determining the costs for improving power supply reliability for individual consumer-facilities, as well as measures to ensure electric power security of the territories of the constituent entities of the Russian Federation. This makes it possible to determine the main tasks for management bodies for civil defense and emergency situations when planning and organizing the implementation of activities aimed at improving the electric power structures and systems reliability and continuity and the uninterruptible power supply to consumers.
Methods. To investigate the subject of the article the central tenets of the systems theory, mathematical statistics, reliability theory and calculation of electrical loads have been applied.
Findings. The author has proposed a research and methodological approach to determining the costs for improving power supply reliability for consumer-facilities and has validated measures to ensure the reliability of
electricity supply for rural consumers and electric power security of the territories of the constituent entities of the Russian Federation that can be used as the basis for creating the appropriate programs for the following levels: country, regions and settlements.
Research application field. This article can be useful to specialists engaged in providing reliable power supply for consumers in their day-to-day activities, as well as in developing action plans for emergency prevention and response in the constituent entities of the Russian Federation, in preparing facilities, population and territories to functioning under the conditions of longrun power supply interruption. The research findings are also of interest to officials of the Unified State System for Emergency Prevention and Response, who deal with substantiating and implementing measures intended to improve sustainability of the electric power systems functioning and power supply of facilities and territories.
Conclusions. The implementation of research findings will ensure the electric power self-sufficiency and security of the constituent entities of the Russian Federation both in their daily activities and in emergency situations.
Key words: electric power consumers, power supply reliability, electric power security of territories.
REFERENCES
1. Sednev V.A., Smurov A.V. Teoreticheskie polozheniia i prakticheskie predlozheniia po obespecheniiu elektroenergeticheskoi bezopasnosti sub"ektov Rossiiskoi Federatsii v chrezvychainykh situatsiiakh [Theoretical propositions and practical proposals for ensuring electric power safety of the subjects of the Russian Federation in emergency situations]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2014. 150 p.
2. Sednev V.A. Features of substantiation requirements to power supply system of the object of the temporary accommodation of the affected population. Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti: internet-zhurnal, 2016, vol. 6 (70), available at: http://academygps.ucoz.ru/ ttb/2016-6/2016-6.html (accessed February 5, 2018). (in Russ.).
3. Kudrin B.I. Elektrosnabzhenie promyshlennykh predpriiatii. 2-e izd., pererab. i dop. [Electrosupply of industrial enterprises. 2nd rev. and enl. ed.]. Moscow, Intermet Inzhiniring Publ., 2006. 672 p.
4. Rukovodiashchie materialy po proektirovaniiu elektrosnabzheniia sel'skogo khoziaistva. Utverzhdeno Ministerstvom energetiki i elektrifikatsii SSSR 08.10.86. [Guidance materials on the design of electricity supply to agriculture. Approved by the Ministry of Energy and Electrification of the USSR on October 8, 1986]. Moscow, Selenergoproekt Publ., 1986. 34 p.
5. Dyachenko Yu.A. Selection of facilities for reliability assurance of power supply to poultry factory according to multicriterion model. Elektrika, 2008, no. 5, pp. 31-36. (in Russ.).
6. Sednev V.A. Methods of study and ways to improve the efficiency of the electricity security of objects under resource constraints. Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti: internet-zhurnal, 2016, vol. 1 (65), available at: http://academygps.ucoz.ru/ttb/2016-1/2016-1.html (accessed February 5, 2018). (in Russ.).
7. Kudrin B.I. Elektrosnabzhenie. 2-e izd., pererab. i dop. [Power supply. 2nd rev. and enl. ed.]. Moscow, Akademiia Publ., 2012. 352 p.
8. Gnedenko B.V., Kolmogorov A.N. Predel'nye raspredeleniia dlia summ nezavisimykh sluchainykh velichin [Limit distributions for sums of independent random variables]. Moscow, Gosudartsvennoe izdatel'stvo tekhniko-teoreticheskoi literatury Publ., 1949. 264 p.
9. Khinchin A.Ya. Predel'nye zakony dlia summ nezavisimykh sluchainykh velichin [Limit laws for sums of independent random variables]. Moscow, Leningrad, ONTI Publ., 1938. 116 p.
10. Yablonsky A.I. Matematicheskie modeli v issledovanii nauki [Mathematical models in the study of science]. Moscow, Nauka Publ., 1986. 352 p.
11. Kudrin B.I. Vvedenie v tekhnetiku. 2-izd., pererab. i dop. [Introduction to Tehnetics. 2nd rev. and enl. ed.]. Tomsk, Tomsk State University Publ., 1993. 552 p.
62
© Sednev V., 2018
