Режимы электрических станций и электроэнергетических систем


                Учебники НГТУ





Серия основана в 2001 году

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ СЕРИИ «УЧЕБНИКИ НГТУ»

       д-р техн, наук, проф. (председатель) НВ. Пустовой д-р техн. наук, проф. (зам. председателя) ГИ Расторгуев

       д-р техн. наук, проф. А.А. Батаев
       д-р техн. наук, проф. А.Г Вострецов
       д-р техн. наук, проф. В.И Гужов
       д-р техн. наук, проф. В.А. Гридчин
       д-р техн. наук, проф. В.И. Денисов
       д-р физ.-мат. наук, проф. В.Г Дубровский
       д-р экон. наук, проф. К. Т. Джурабаев
       д-р филос. наук, проф. В.И. Игнатьев
       д-р филос. наук, проф. В.В. Крюков
       д-р техн. наук, проф. В.Н Максименко
       д-р техн. наук, проф. ХМ. Рахимянов
       д-р филос. наук, проф. М.В. Ромм
       д-р техн. наук, проф. Ю.Г Соловейчик
       д-р техн. наук, проф. А.А. Спектор
       д-р юрид. наук, доц. В.Л. Толстых
       д-р техн. наук, проф. А.Г. Фишов
       д-р экон. наук, проф. М.В. Хайруллина
       д-р техн. наук, проф. А. Ф. Шевченко
       д-р техн. наук, проф. НИ Щуров

А.Г. РУСИНА, ТА. ФИЛИППОВА

РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ







НОВОСИБИРСК 2 0 14

УДК 621.311.1(075.8)
     Р 885




Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор Ю.А. Секретарев, д-р техн. наук, профессор А.Г. Фишов






      Русина А.Г.
Р 885 Режимы электрических станций и электроэнергетических систем : учебник / А.Г. Русина, Т.А. Филиппова. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2014.- 400 с. (Серия «Учебники НГТУ»).

         ISBN 978-5-7782-2463-6

          Изложены режимные свойства и режимные задачи электростанций и энергосистем и показана их важность для эффективного управления. Особое внимание уделено энергетическим балансам мощности и электроэнергии. Приведены принципы, модели и методы для задач оптимизации режимов электроэнергетических систем с использованием теории и методов управления режимами и компьютерными технологиями. Для основных задач приведены расчетные примеры.
          Материал книги ориентирован на подготовку студентов энергетических специальностей в курсах, которые включаются в учебные планы подготовки бакалавров и инженеров-магистров. Он полезен инженерам энергетических предприятий.





УДК 621.311.1(075.8)



ISBN 978-5-7782-2463-6

                                    © Русина А.Г., Филиппова Т.А., 2014 © Новосибирский государственный технический университет, 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ


Список сокращений........................................11
Предисловие..............................................13

Раздел 1. ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ РЕЖИМАМИ
       ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ......................................15


Глава 1. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ.................17

    1.1. Энергетическая система........................................17
    1.2. Требования к энергоснабжению потребителей.....................25
    1.3. Иерархичность управления......................................28
    1.4. Средства и системы управления энергетическими объектами.......31
    1.5. Компьютерные системы управления...............................37
    1.6. Бизнес-процесс и экономичность режимов........................42
    Заключение по главе 1..............................................45

    Вопросы для самопроверки...........................................45


Глава 2. ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ............47

    2.1. Потребители электроэнергии.....................................47
    2.2. Электроприемники промышленных предприятий......................48
    2.3. Графики нагрузки потребителей..................................53
    2.4. Показатели электропотребления и мощности потребителей..........57
    2.5. Нагрузка энергосистемы.........................................58
    Показатели графика нагрузки потребителя (пример расчета).............65
    Оценка влияния потребителей электрической энергии на график нагрузки системы и на показатели, характеризующие режим ЭЭС (пример расчета).66
    Заключение по главе 2...............................................67

    Вопросы для самопроверки...........................................67


Глава 3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПРИ ПЛАНИРОВАНИИ РЕЖИМОВ ЭНЕРГОСИСТЕМ.......................................69

    3.1. Прогнозирование в управлении производством....................69

    3.2. План и прогноз

70

5

    3.3. Процесс планирования..........................................71
    3.4. Характеристика методов прогнозирования........................74
    3.5. Конструирование прогноза......................................84
    3.6. Конструирование графика нагрузки на основе совокупности моделей прогнозирования....................................................86
    3.7. Модели прогнозов поправочных коэффициентов к основному прогнозу.88
    Создание схемы взаимосвязанных расчетов моделей прогнозирования электропотребления для периодов от месяца до нескольких лет (пример расчета)...........................................................91
    Построение временных моделей для параметров мощности (пример расчета)...................................................96
    Заключение к главе 3...............................................99

    Вопросы для самопроверки...........................................99


Глава 4. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА АГРЕГАТОВ И ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ......................................................101
    4.1. Технологические схемы электрических станций................101
    4.2. Категории мощности агрегатов и электрических станций.......106
    4.3. Эксплуатационные свойства электростанций...................108
    4.4. Характеристики агрегатов и электростанций..................115
    4.5. Энергетические характеристики тепловых электростанций......118
    4.6. Способы получения энергетических характеристик.............126
    4.7. Статистические характеристики станций......................130
    4.8. Эквивалентные характеристики станций с учетом потерь мощности.131
    Заключение по главе 4...........................................132

    Вопросы для самопроверки..........................................133


Глава 5. БАЛАНСЫ МОЩНОСТИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ.............135

    5.1. Балансы мощности и электроэнергии системы.....................135
    5.2. Участие станций в энергетических балансах системы.............140
    5.3. Особенности составления балансов мощности.....................144
    5.4. Особенности составления баланса электроэнергии................147
    5.5. Баланс реактивной мощности....................................150
    5.6. Резервы мощности..............................................151

6

    Выбор и размещение оперативных резервов мощностей энергосистемы (пример расчета)...................................................156
    Составление баланса мощности в ЭЭС (пример расчета).................157

    Заключение ио главе 5...........................................159

    Вопросы для самопроверки..........................................159


Глава 6. ОСОБЕННОСТИ РЕЖИМОВ ГЭС...................161

    6.1. Особенности режима ГЭС в электроэнергетической системе.........161
    6.2. Совместная работа нескольких гидростанций в системе............170
    6.3. Общая схема расчета суточного баланса мощности гидротеиловой ЭЭС.... 171
    6.4. Расчеты долгосрочных режимов выработки электроэнергии ГЭС.......172
    6.5. Гидроэлектростанции как объект энергетической системы..........175
    Составление планового энергетического баланса мощности в гидротепло-вой энергосистеме (пример расчета)..................................178
    Заключение к главе 6................................................181
    Вопросы для самопроверки............................................182


Глава 7. КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ..............................183
    7.1. Показатели качества электрической энергии....................183
    7.2. Поддержание качества электрической энергии ио частоте.......186
    7.3. Системы регулирования частоты................................188
    7.4. Плановое регулирование мощности агрегатов и станций.........193
    7.5. Регулирование качества электроэнергии по напряжению..........194
    Параллельная работа электрических станций и регулирование мощности и частоты системы (пример расчета)...............................198

    Заключение по главе 7...........................................199

    Вопросы для самопроверки..........................................200


Раздел 2. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ И ЭНЕРГОСИСТЕМ..................................201


Глава 8. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ ЭЛЕК
      ТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ.......................203

    8.1. Базовые положения теории решения задач управления режимами.....203
    8.2. Принципы методологических основ управления....................208

7

ш

    8.3. Системы в энергетике..........................................211
    Заключение.........................................................213
    Вопросы для самопроверки...........................................213


Глава 9. ОСНОВЫ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ..............215

    9.1. Оптимальное управление режимами............................215
    9.2. Математическая формулировка задач оптимизации..............218
    9.3. Методы нелинейного программирования........................221
    9.4. Градиентный метод..........................................223
    9.5. Метод неопределенных множителей Лагранжа...................227
    9.6. Эффективность управления...................................229
    9.7. Научные принципы решения задач оптимизации режимов.........231
    9.8. Информационное моделирование режимных задач................233
    9.9. Задачи и модели оптимизации режимов........................237
    Заключение ио главе 9............................................242
    Вопросы для самопроверки.........................................243


Глава 10. НАИВЫГОДНЕЙШЕЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗКИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ........................................245
    10.1. Задачи оптимального распределения нагрузки................245
    10.2. Оптимальное распределение нагрузки между ТЭС в тепловой энергосистеме.........................................................246
    10.3. Распределение нагрузки в энергосистеме с ГЭС и ТЭС........251
    10.4. Распределение нагрузки между агрегатами станций...........257
    10.5. Распределение реактивных нагрузок.........................260
    10.6. Реализация распределения нагрузки при эксплуатации электростанций и энергосистем..............................................262
    Распределение активной мощности между электрическими станциями методом равенства относительных приростов (пример расчета)........264
    Распределение активной мощности между электрическими станциями методом равенства относительных приростов с учетом потерь мощности в сетях (пример расчета)........................................266
    Распределение активной мощности между электрическими станциями методом приведенного градиента (пример расчета)...................268
    Заключение по главе 10..........................................271
    Вопросы для самопроверки........................................271

8

Глава 11. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ СИСТЕМЫ С УЧЕТОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ.......................................................273
    11.1. Учет режима электрических сетей при решении общесистемных задач оптимизации режимов............................................273
    11.2. Упрощенный алгоритм оптимизации режима энергосистемы.....276
    11.3. Использование принципа адресных расчетов.................279
    11.4. Эквивалентная электрическая схема........................286
    Адресные расчеты потоков мощности (пример расчета).............287
    Заключение по главе 11.........................................291

    Вопросы для самопроверки..........................................291


Глава 12. ОПТИМАЛЬНЫЕ ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ..293

    12.1. Эквивалентные характеристики электростанций....................293
    12.2. Энергетические характеристики станции с одинаковыми агрегатами.294
    12.3. Построение эквивалентных характеристик станции методом динамического программирования...........................................296
    12.4. Построение эквивалентных характеристик станции при заданном составе работающих агрегатов.........................................300
    12.5. Эквивалентные характеристики ТЭС...............................304
    12.6. Среднеинтервальные характеристики..............................307
    Построение характеристики станции методом динамического программирования (пример расчета).............................................308
    Заключение по главе 12...............................................311
    Вопросы для самопроверки.............................................311


Глава 13. ВЫБОР СОСТАВА АГРЕГАТОВ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ...313

    13.1. Характеристика задачи........................................313
    13.2. Выбор состава агрегатов в тепловой энергосистеме.............318
    13.3. Внутристанционная оптимизация режима ГЭС.....................320
    13.4. Библиотека эквивалентных характеристик ТЭС...................324
    Выбор состава работающих агрегатов ГЭС с использованием метода направленного перебора вариантов (пример расчета)....................325
    Заключение ио главе 13.............................................328
    Вопросы для самопроверки...........................................328

9

Глава 14. ОПТИМИЗАЦИЯ ДЛИТЕЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ГЭС......................329
    14.1. Долгосрочная оптимизация режимов........................329
    14.2. Математическая модель оптимизации режима водохранилища одиночной ГЭС с использованием градиентного метода...............331
    14.3. Последовательная корректировка длительного режима водохранилища..........................................................339
    Заключение по главе 14........................................341
    Вопросы для самопроверки......................................342

Глава 15. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ПРИ РЕШЕНИИ РЕЖИМНЫХ ЗАДАЧ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.....................................................343
    15.1. Компьютерные системы и их возможности....................343
    15.2. Вычислительные системы расчета режимов ЭЭС с интеллектуальными возможностями...............................................346
    15.3. Инновационные возможности определения алгоритмической схемы решения режимных задач.........................................348
    15.4. Интерактивный режим прогнозирования оперативного графика нагрузки........................................................351
    15.5. Основные положения разработки информационного блока для перспективных расчетов энергетических балансов...................354
    Заключение к главе 15.........................................358


Заключение..........................................................359

Библиографический список............................................361

Приложения..........................................................363
Приложение 1. Оперативное планирование режимов ЭЭС (пример расчета).365
Вопросы для самопроверки............................................387
Приложение 2. Состояние энергетики России...........................388
Глоссарий...........................................................397

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АР     Аварийный резерв                                     
АРС    Автоматика регулирования скорости                    
АСДУ   Автоматизированная система диспетчерского управления 
АСУ    Автоматизированная система управления                
АСУТП  Автоматизированная система управления технологическим
       процессом                                            
АЭС    Атомная электростанция                               
БСК    Батарея статических конденсаторов                    
ВБ     Верхний бьеф                                         
ВНИИЭ  Всесоюзный НИИ электроэнергетики                     
ВЦ ГТУ Вычислительный центр главного технического управления
       Минэнерго                                            
ВХК    Водохозяйственный комплекс                           
ГАЭС   Гидроаккумулирующая электрическая станция            
ГОЭЛРО Государственная комиссия по электрификации России    
ГК     Генерирующая компания                                
ГЭС    Г идроэлектростанция                                 
ДП     Динамическое программирование                        
ЕЭС    Единая энергетическая система                        
иве    Информационная вычислительная система                
КПД    Коэффициент полезного действия                       
КЭС    Конденсационная электростанция                       
лэп    Линия электропередачи                                
лп     Линейное программирование                            
нп     Нелинейное программирование                          
ОДУ    Объединенное диспетчерское управление                
от     Отсасывающая труба                                   
ОЭС    Объединенная энергетическая система                  
п      Пропеллерная турбина                                 
ПАА    Противоаварийная автоматика                          

11

н    СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ                           
пл   Поворотно-лопастная турбина                 
ПС   Подстанция                                  
РДУ  Региональное диспетчерское управление       
РЗ   Релейная защита                             
РО   Радиально-осевая турбина                    
РПС  Распределительная подстанция                
САПР Система автоматизированного программирования
САУ  Система автоматического управления          
СГ   Синхронный генератор                        
СО   Системный оператор                          
СК   Сетевая компания                            
СЭИ  Сибирский энергетический институт           
ТА   Технологическая автоматика                  
ТЭК  Топливно-энергетический комплекс            
ТЭР  Топливно-энергетические ресурсы             
ТЭС  Тепловая электрическая станция              
цду  Центральное диспетчерское управление        
ээс  Электроэнергетическая система               

    ПРЕДИСЛОВИЕ

    Трудно назвать такую область в энергетике, которая прямо или косвенно не связана с режимами. Изучение основ управления режимами является важным элементом вузовского образования. Электрические режимы, теплотехнические режимы, водно-энергетические режимы ГЭС, нестационарные процессы в электрических системах, энергетические режимы агрегатов и станций -все это касается режимов ЭЭС. В данной книге рассматривается только управление энергетическими режимами станций и систем. К нему относятся вопросы определения выработки электроэнергии и мощности электростанций, необходимые для надежного энергоснабжения.
    Учебников по тематике управления режимами очень мало, и изданы они в период до 1985 г. Сейчас этих книг очень мало. Во многом они не потеряли своего значения, так как инженерное содержание задач не изменилось.
    В учебном процессе ощущается дефицит литературы по такой тематике, что и послужило одной из главных причин издания настоящего учебника. Традиционный материал был переработан с учетом современных условий и существенно дополнен.
    В издательстве НГТУ было издано две книги по вопросам режимов ЭЭС: Филиппова Т.А. Энергетические режимы электрических станций и энергосистем: учебник. - Новосибирск. - 296 с.; Филиппова Т.А., Сидоркин Ю.М., Русина А.Г. Оптимизация режимов электростанций и энергосистем: учебник. -Новосибирск. -356 с.
    Они широко использовались в учебном процессе студентами энергетического факультета. Это показывает, что такая литература нужна, и в определенной мере она сняла проблему дефицита. В настоящий учебник включены некоторые материалы из этих книг.
    Однако выявились и их недостатки как по объему материала, так и по его содержанию. Сейчас большую роль играет в управлении режимами прогнозирование, и этот раздел приведен в новой редакции. Недостатком являлось и малое количество расчетных примеров, и это потребовало издания учебных

13

н

ПРЕДИСЛОВИЕ

пособий. Они и сейчас нужны, но понимание теоретического материала без расчетных примеров затруднено. Это показала практика преподавания в вузах. Были выявлены и другие недостатки. Не будем все их называть. В предлагаемом учебнике они частично устранены.
    Ряд инженерных организаций (ОДУ Сибири, РДУ Новосибирска и др.) высказали пожелание расширить материал по краткосрочной оптимизации режимов ЭЭС.
    Включен материал по значимости компьютерных технологий при управлении режимами ЭЭС. Для современных условий его отсутствие недопустимо.
    Предлагаемый учебник включает в себя два раздела. Первый раздел («Основы управления энергетическими режимами электрических станций и энергосистем») содержит материал по режимным задачам, основам управления режимами, энергетическим балансам мощности и энергии. Второй раздел («Оптимизация режимов») посвящен моделям и методам оптимизации энергетических режимов. Оптимизация режимов - это важнейшее звено в достижении минимума затрат на энергоснабжение потребителей.
    Главная цель книги - дать в доступной для студентов форме содержание и принципы решения основных энергетических задач по энергоснабжению потребителей в современных условиях функционирования энергетики.
    Учебник может быть полезен инженерам энергетических предприятий.
    Авторы признательны за замечания рецензентам учебника д-ру техн. наук, профессору А.Г. Фишову, д-ру техн. наук, профессору Ю.А. Секретареву.
    Авторы будут признательны читателям за замечания об имеющихся недостатках и за советы по изложению рассмотренных вопросов, которые просим направлять по адресу: 630073, г. Новосибирск, пр-т К. Маркса, 20.

Раздел 1


ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ РЕЖИМАМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ


      В базовой подготовке студентов энергетических специальностей (для энергетической отрасли) предусмотрено изучение техники, технологии и управления энергетическими объектами. Рассматриваемые в учебнике вопросы относятся к последнему из названных разделов - управлению энергетическими объектами.
      Вместе с тем читатель должен знать технику и технологию, так как без них нельзя понять вопросы управления. В первый раздел книги включен материал, который базируется на этих данных. Многие вопросы изложены фрагментарно, в минимальном объеме, необходимом для целостной картины по энергетическим режимам. Основными являются знания особенностей и возможностей электростанций и энергосистем.
      На базе общих знаний в первом разделе названы и рассмотрены основные задачи управления энергетическими режимами станций и энергосистем.
      В целом материал первого раздела позволит читателю:
      •    понять смысл и содержание задач управления энергетическими режимами ;
      •   определить основные пути управления режимами;
      •   оценить важность режимных задач при функционировании энергетики.

1. Почему существуют ОЭС?
2. Как организована зона обслуживания одной ОЭС?
3. Почему ОЭС подчиняются СО?