Общие сведения об электроэнергетических системах и системах электроснабжения

Общие сведения
об электроэнергетических системах
и системах электроснабжения
ЭЭС - это часть энергетической системы, т.е.
совокупность
элементов,
вырабатывающих,
преобразующих, передающих, распределяющих и
потребляющих
электроэнергию,
связанных
общностью режима при едином процессе их
управления. ЭЭС включает силовые элементы и
элементы управления. Взаимодействуя между собой,
все элементы системы связаны единством процессов
производства,
преобразования,
передачи
и
потребления электроэнергии.
При этом под процессами понимают отдельные
составляющие явления, отражающие некоторые связи
между переменными величинами, которые отвечают
явлениям, свойственным данному состоянию (или
режиму) системы.
Система электроснабжения - это
подсистема энергосистемы, обеспечивающая
комплексное
электроснабжение
промышленных,
транспортных,
коммунальных
и
сельскохозяйственных
потребителей данного района.
СЭС состоит из электрических сетей
напряжением до 1000 В и выше,
трансформаторных, распределительных и
преобразовательных подстанций, служит для
обеспечения требований производства путем
подачи электроэнергии от источника питания
к месту потребления в необходимом
количестве и соответствующего качества в
виде переменного тока, однофазного или
трехфазного, при различных частотах и
напряжениях, и постоянного тока.
Элементами ЭЭС являются генераторы, силовые
трансформаторы, линии электропередачи и
другие элементы, установленные на
электростанциях и подстанциях.
Генераторы вырабатывают электроэнергию
напряжением 6-20 кВ. Передача большой
мощности осуществляется на напряжении 351150 кВ.
На повышенном напряжении электроэнергия
поступает к промышленному району, где на
узловой районной подстанции происходит
распределение электроэнергии по потребителям
Электроприемники(ЭП) предприятия рассчитаны на
меньшие номинальные напряжения, поэтому на
подстанциях
потребителя
устанавливают
трансформаторы,
понижающие
напряжение
до 6-20 кВ.
На этом напряжении работают мощные ЭП –
электродвигатели насосов, компрессоров, прокатных
станов, дуговые сталеплавильные печи и т.д.
Массовые ЭП: электродвигатели станков, печи
сопротивления, сварочные машины и т.п. имеют
небольшую мощность и, соответственно, меньшее
номинальное напряжение. Для питания массовых ЭП
устанавливают
трансформаторы,
понижающие
напряжение с 20-6 кВ до 0,38 или 0,66 кВ.
• Режимом системы - называется ее состояние,
определяемое параметрами в любой момент
времени или на некотором интервале времени.
• Параметры режима - показатели, характеризующие
процесс
получения
и
преобразования
электроэнергии, - напряжения в различных точках
схемы, ток в ее элементах, частота сети, углы
расхождения векторов ЭДС и напряжений, активная
и реактивная мощности и т.д.
• Параметры схемы - показатели, характеризующие
схему системы: сопротивления и проводимости
элементов сети.
При анализе и составлении математического описания
различают три основных вида режимов ЭЭС и СЭС:
• нормальный установившийся режим с параметрами,
находящимися
в
нормированных
пределах;
применительно к нему проектируется система и
определяются
ее
технико-экономические
характеристики;
• нормальный переходный режим, связанный с
эксплуатационными
изменениями
схемы
электроснабжения или схемы ЭЭС;
• послеаварийный
установившийся
режим,
наступающий после аварийного отключения какоголибо элемента, части элементов схемы или части
системы. В этом режиме система может работать с
несколько
ухудшенными
техникоэкономическими
характеристиками.
• аварийный переходный режим - резкое
изменение параметров вследствие
аварийного изменения в схеме питающей
энергосистемы или в схеме
электроснабжения.
• переходный режим как нормальный, так и
аварийный, во время которого система
переходит от одного состояния в другое,
характеризуется изменением во времени
всех его параметров. Он описывается
дифференциальными уравнениями.
Параметры схемы могут зависеть от
изменения режима. В этом случае система
является нелинейной. Параметры всех
реальных ЭЭС в той или иной степени
нелинейны. Но математический аппарат для
их
исследования
еще
недостаточно
разработан. В связи с этим во многих
практических заданиях параметры системы
приходится полагать постоянными, считая
систему на каком-то участке линейной (т.е.
производится линеаризация процессов)
В различных электроэнергетических задачах,
особенно в случае определения потоков
мощности
и
распределения
токов,
нахождения напряжений в различных точках
(узлах) пользуются схемами замещения. При
этом
расчеты
относительно
сложных
процессов можно свести к расчетам
элементарных, т.е. схема замещения
Проектирование эксплуатация СЭС оценивается по ряду критериев,
важнейшие из которых определяются значениями активной и
реактивной мощностей, которые будут протекать по СЭС, напряжениями
в узлах. Изменение их происходит случайным образом, что обусловлено
отсутствием детерминированных связей между потребителями
электроэнергии. Поэтому возникают задачи исследования и расчета
параметров режима в диапазоне их изменения, расчета величин,
характеризующих их разброс, определение расчетных значений, по
которым следует производить, например, выбор сечения проводников,
мощности силовых трансформаторов, компенсирующих устройств и т.п.
Сами процессы
при производстве, передаче и потреблении
электроэнергии достаточно хорошо изучены. Например, если для
фиксированного момента времени в каждом пункте электрической сети
точно известны нагрузка, напряжение в балансирующем узле и
состояние каждого элемента, то, зная законы теоретических основ
электротехники, можно достаточно точно рассчитать значение нагрузок в
элементах сети и напряжение во всех узловых пунктах, затем выбрать
сечения проводников, коммутационное оборудование и т.д.
Режимы
электропотребления
электроприемников, получающих питание от
какого-либо узла сети, зависят от множества
факторов, которые в настоящее время
математически точно описать невозможно в
виду их сложности. На изменение нагрузки
промышленных
предприятий
оказывает
существенное влияние состав включенного
оборудования, обусловленный изменением в
технологическом процессе - циклов работы
отдельных видов оборудования, т.е. их
включение
и
отключение,
изменение
производительности,
их
загрузка,
метеорологические и климатические условия и
т.д.
Необходимо учитывать вероятностный характер
электропотребления. Применение вероятностных
методов, по сравнению с детерминированным
подходом, к количественной характеристике явлений,
происходящих при передаче и распределении
электроэнергии, позволяет повысить достоверность
результатов, а, следовательно, и качество проектных и
эксплуатационных решений.
Наибольшее распространение вероятностные методы
анализа нашли в СЭС при расчете электрических
нагрузок, режимов, анализе надежности систем, а
также исследовании качества электрической энергии;
при описании перенапряжений в сети.
Практическое
значение
вероятностных
моделей заключается в том, что они
позволяют по известным характеристикам
простых случайных явлений прогнозировать
характеристики сложных явлений и избегать
необоснованно
завышенных
расчетных
величин и показателей.
Модель - случайное
событие
Теория вероятностей - это математическая
наука, изучающая закономерности случайных
событий и случайных функций. Случайность
отражает
объективно
существующую
реальность,
которая
находится
под
воздействием бесчисленного множества
взаимосвязанных факторов, не поддающихся
учету.
Под случайным явлением понимается такое
явление,
которое
при
неоднократности
воспроизведении одного и того же опыта
происходит каждый раз по иному. В системах
электроснабжения случайные явления - это, как
правило,
процессы
изменения
величин,
характеризующих параметры режима: тока I(t),
напряжения U(t), активной мощности P(t),
реактивной мощности Q(t), происходящие во
времени.
Всякое осуществление определенных условий и
действий, при которых наблюдается изучаемое
случайное явление, называется опытом.
Результаты опытов - это фиксированные
последовательности дискретных значений
мощности (P) группы работающих
электроприемников
Последовательность дискретных значений мощности группы ЭП
Случайным называют событие, которое в
данных конкретных условиях может
произойти или не произойти.
Достоверное событие - это событие, которое
в результате опытов обязательно произойдет.
Вероятность появления достоверного события,
назовем его событием А, равна 1:
Р(А) = 1.
Невозможное событие - это событие, которое не
может произойти в результате опыта. Примером
является отсутствие напряжения на шинах низкого
напряжения (НН), то есть U2=0, при наличии его на
шинах источника питания и нормальной работы всех
элементов схемы (рис. 1); одновременный отказ и
работа электроприемника. Вероятность появления
невозможного события равна нулю:
Р(А) = 0.
Только на основании большого числа опытов
наблюдающий может установить является событие
случайным, достоверным или невозможным.
Если многократно наблюдать то или иное событие, то
относительная частота его возникновения, т.е. отношение числа
случаев, когда событие происходит, к общему числу наблюденных
случаев по мере увеличения их числа и при полной одинаковости
условий, влияющих на возникновение данного события, слабо
колеблется относительно некоторой постоянной величины.
Причем, чем больше наблюдений (испытаний) мы проводим, тем
меньше размах этих колебаний.
Устойчивость относительной частоты возникновения случайного
события при очень большом числе наблюдений (испытаний) дает
основание считать, что та величина, около которой наблюдаются
колебания относительной частоты, характеризует объективную
возможность осуществления данного случайного события. Эта
величина и является вероятностью события.
Вероятность события, р - это число, показывающее степень
возможности появления какого-либо события А в результате
опытов.
Случайные величины отличаются от неслучайных
тем, что в каждом испытании они могут
принимать различные значения. Однако все
случайные величины подчиняются тем или иным
закономерностям.
Случайной функцией называется величина,
изменяющаяся при изменении аргумента
случайным образом. В отличие от обычной
неслучайной функции, имеющей определенное
значение при заданном значении аргумента,
случайная функция при заданном значении
аргумента является случайной величиной, т.е.
может иметь различные значения с различной
их вероятностью.
Если аргументом случайной функции является
время, то такая случайная функция
называется случайным процессом. Случайная
функция в каждом отдельном случае (опыте)
представляется
некоторой
конкретной
неслучайной функцией аргумента. Эта
конкретная функция называется реализацией
случайной функции в данном опыте.
Аналогично, если аргументом случайной
функции является время t, то имеем
реализацию случайного процесса.
Различают два метода определения вероятности
случайного
события:
классическое
и
статистическое.
Классическое определение применимо только в
том случае, если изучаемые события образуют
полную группу попарно несовместимых и
равновозможных событий.
В этом случае вероятность считают равной
отношению числа случаев, когда данное событие
будет иметь место, m, к общему числу
возможных случаев, n :
• Случай - это события, образующие полную
группу попарно несовместимых
равновозможных событий.
• В теории вероятностей несколько событий
называются
несовместными,
или
несовместимыми, если никакие из них не
могут
появиться
одновременно
в
результате
однократного
испытания
случайного эксперимента.
́ пой(системой) собы́тий в
• По́лной груп
теории вероятностей называется система
случайных событий такая, что в результате
произведенного случайного эксперимента
непременно произойдет одно и только
одно из них.
• События называются равновозможными,
если есть основания считать, что не одно из
них не является более возможным, чем
другое.
Пример. В урне находите» 2 белых и
3 черных шара. Из урны наугад
вынимается один шар. Требуется
найти вероятность того, что этот шар
будет белым.
Статистическое определение вероятности базируется на
статистических материалах. При достаточно большом числе
наблюдений относительная частота возникновения события
колеблется около некоторой постоянной величины,
называемой
статистической
вероятностью
данного
случайного события. Статистическая вероятность - это
предел, к которому стремится относительная частота
появления события при достаточно большом числе опытов:
Точность подсчета статистической вероятности зависит от
количества проведенных опытов n.
Вспомним, что случайное событие A - это событие, которое в
результате опыта может появиться или не появиться. Его
вероятность появления (непоявления) заключена между 0 и 1:
0< р(А) < 1.