Ogólna charakterystyka KSE A K A D E M I A G Ó R N I C Z O - H U T N I C Z A i m. S t a n i s ł a w a S t a s z i c a WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI, AUTOMATYKI, INFORMATYKI i ELEKTRONIKI Z a k ł a d E l e k t r o e n e r g e t y k i ELEKTROENERGETYCZNE UKŁADY PRZESYŁOWE Wykład 1 Ogólna charakterystyka KSE Opracował: W. Szpyra Plik dostępny pod adresem: http://hp.zee.agh.edu.pl/~wszpyra/ Kraków, październik 2001

Literatura Podręczniki i skrypty: 1. Bernas S.: Systemy elektroenergetyczne. WNT, Warszawa 1986. 2. Cegielski M.: Sieci i systemy elektroenergetyczne. PWN, Warszawa 1979. 3. Kinsner K., Serwin A., Sobierajski M., Wilczyński A.: Sieci elektroenergetyczne. Wyd. Pol. Wrocławskiej, Wrocław 1993. 4. Kremens Z., Sobierajski M.: Analiza systemów elektroenergetycznych. WNT, Warszawa 1996. 5. Kujszczyk Sz., Brociek S., Flisowski Z. Gryko J., Nazarko J., Zdun Z.: Elektroenergetyczne układy przesyłowe. WNT, Warszawa, 1997. 6. Machowski J., Białek J.W., Bumby J. R.: Power system dynamics and stability. John Wiley & Sons, 1997. 7. Popczyk J.: Elektroenergetyczne układy przesyłowe. Pol. Śląska, skrypt nr 1196, Gliwice 1984.

Definicja zadania i cechy charakterystyczne SEE System elektroenergetyczny (SEE) - zbiór połączonych funkcjonalnie urządzeń elektrycznych przeznaczonych do wytwarzania, przesyłu i rozdziału energii elektrycznej. Zadania SEE - zapewnienie ciągłej dostawy energii elektrycznej do odbiorców przy zachowaniu odpowiedniej jej jakości t.j. przy znamionowej częstotliwości i znamionowym napięciu. Koszty tego procesu obejmujące: wytwarzanie, przesył i rozdział energii oraz ewentualne kary za niedostarczoną energię lub jej niewłaściwą jakość powinny być minimalne. Cechy charakterystyczne SEE: rozległość terytorialna - najczęściej obejmuje całe państwo; zadania są realizowane z wymogiem natychmiastowej dostawy energii na każde żądanie odbiorcy - cała produkcja energii elektrycznej jest natychmiast konsumowana bez możliwości bezpośredniego magazynowania (z pośrednich możliwości magazynowania praktyczne znaczenie mają tylko elektrownie szczytowo-pompowe).

Elementy i charakterystyczne parametry SEE Podstawowymi elementami SEE są elektrownie, sieci przesyłowe i rozdzielcze oraz układy odbiorcze. moc zainstalowana - suma mocy czynnych znamionowych wszystkich generatorów zainstalowanych w elektrowniach; struktura mocy - udział mocy czynnych znamionowych zainstalowanych w poszczególnych rodzajach elektrowni w mocy zainstalowanej całego systemu; moc szczytowa - największa moc pobierana przez odbiorniki energii elektrycznej w ciągu roku; roczna produkcja energii elektrycznej; napięcia przesyłowe - napięcia znamionowe elektroenergetycznej sieci przesyłowej; struktura sieci przesyłowej - napięcia znamionowe sieci, konfiguracja (układ pracy) sieci, długości linii o poszczególnych napięciach znamionowych.

Sieć przesyłowa KSE - mapa sieci źródło: http://www.pse.pl/pl/statystyka

Sieć przesyłowa KSE - długość linii NN źródło: http://www.pse.pl/pl/statystyka

Połączenia międzynarodowe źródło: http://www.pse.pl/pl/statystyka

Produkcja energii i moc zainstalowana źródło: http://www.pse.pl/pl/statystyka

Zakup i sprzedaż energii elektrycznej źródło: http://www.pse.pl/pl/statystyka

Bilans energii elektrycznej źródło: http://www.pse.pl/pl/statystyka

Energochłonność gospodarki źródło: http://www.pse.pl/pl/statystyka

Energochłonność gospodarki źródło: http://www.pse.pl/pl/statystyka

Zmienność obciążenia KSE źródło: http://www.pse.pl/pl/statystyka

Średnie miesięczne zapotrzebowanie na moc w szczytach wieczornych źródło: http://www.pse.pl/pl/statystyka

Hierarchiczna struktura KSE źródło: [1]

Zadania układów przesyłowych Konieczność budowy układów (sieci) przesyłowych wynika z: różnej lokalizacji pierwotnych źródeł (nośników) energii oraz skupisk odbiorców energii, dążenia do poprawy ekonomiki wytwarzania energii przez wzrost mocy elektrowni, ograniczeń lokalizacyjnych nowych elektrowni wynikających z potrzeby ochrony atmosfery (emisja NOx, SO2, CO2, CO, pyłów i ciepła), gruntu (składowanie popiołu i żużla) oraz braku wody chłodzącej. Zadania układów przesyłowych: a - przesył energii elektrycznej z obszarów, w których występuje nadwyżka wytwarzanej energii do obszarów wielkiego zużycia (deficytowych); b - wyprowadzenie energii z wielkich elektrowni do blisko położonych sieci rozdzielczych zasilających wielkie aglomeracje miejskie i miejsko-przemysłowe; c - łączenie do pracy równoległej wielkich systemów elektroenergetycznych; d - łączenie do pracy równoległej wielkich elektrowni i tworzenie systemów państwowych, zasilanie sieci rozdzielczych.

Funkcje sieci przesyłowych Sieci przesyłowe zapewniają: przesyły systematyczne mocy i energii elektrycznej); przesyły wyrównawcze (kompensacyjne) mocy i energii elektrycznej; współpracę międzysystemową. W obrębie KSE przesyły wyrównawcze mogą wynikać z niedyspozycyjności urządzeń wytwórczych lub ekonomicznego rozdziału obciążeń między elektrownie. W przypadku połączeń międzysystemowych przesyły wyrównawcze zapewniają: planową wymianę mocy i energii elektrycznej na podstawie kontraktów średnio- i długo-terminowych; okresowych wymian mocy i energii elektrycznej wynikających z różnej struktury mocy wytwórczych i wynikających stąd różnych kosztów marginalnych wytwarzania energii w cyklach dobowych oraz sezonowych; tranzytów mocy i energii elektrycznej do systemów trzecich, efektów wynikających z przesunięcia szczytowych obciążeń współpracujących systemów (sumaryczne obciążenie szczytowe współpracujących systemów jest zawsze mniejsze niż suma obciążeń szczytowych tych systemów); poprawy pewności zasilania rejonów przygranicznych tj. węzłów krańcowych połączeń międzysystemowych.

Układ pracy sieci przesyłowej Sieci przesyłowe pracują w układzie wielokrotnie zamkniętym (por. schemat sieci przesyłowej KSE). W zakresie wyprowadzenia mocy z podstawowych elektrowni oraz zasilania węzłów redukcyjnych 400/110 kV i 220/110 kV krajowa sieć przesyłowa spełnia wymagania niezawodnościowe zgodnie z regułą (n - 1). Sieć spełnia kryterium niezawodnościowe zgodnie z regułą (n - 1), jeżeli w stanie wyjściowym wytrzymuje awaryjne wyłączenie jednego jej elementu (linii, transformatora, jednej sekcji szyn zbiorczych) bez niedopuszczalnych ograniczeń spełnianej funkcji. Oznacza to, że pozostające w ruchu elementy sieci nie mogą zostać przeciążone ponad dopuszczalną wartość, oraz nie może dojść do rozszerzenia się zakłócenia

Parametry elementów sieci przesyłowej Na sieć przesyłową KSE składają się: jedno lub dwu torowe linie 220 kV - z jednym przewodem na fazę, jedno lub dwu torowe linie 400 kV - z przewodami wiązkowymi - wiązka 2  525 mm2 AFL (linia Krosno-Iskrzynia - Lemiešany ma wiązkę 3350 mm2 AFL); Transformatory sieciowe 400/220 kV, 400/110 kV i 220/110 kV z regulacją napięcia pod obciążeniem w zakresie ±(10¸ 12.5) % Un. Typowe moce znamionowe transformatorów sieciowych wynoszą: 400/220 kV - 400 MVA i 500 MVA; 400/110 kV - 250 MVA i 330 MVA; 220/110 kV - 160 MVA

Zdolność przesyłowa linii o różnym napięciu Wzrost przesyłanej mocy pociąga za sobą konieczność podwyższania napięcia znamionowego linii przesyłowych. Na rysunku poniżej pokazano porównanie liczby linii o różnych napięciach potrzebnych do przesyłu mocy 2 000 MW przy założeniu, że o przepustowości układu decyduje długotrwała obciążalność termiczna przewodu. W liniach bardzo długich o przepustowości decydują spadki napięcia oraz stabilność statyczna i dynamiczna (lokalna i globalna). źródło: [7]

Systemy prądowe układów przesyłowych Do przesyłu energii wykorzystywane są systemy: prądu przemiennego, prądu stałego, układy hybrydowe. źródło: [7] Systemy prądu stałego: a) układ jednobiegunowy (unipolarny) z linią jednotorową; b) układ jednobiegunowy dwuprzewodowy; c) układ dwubiegunowy dwuprzewodowy o różnej biegunowości torów (bipolarny); d) układ dwubiegunowy dwu-przewodowy (lub wieloprzewodowy) o tej samej biegunowości torów (homopolarny).

Układ hybrydowy źródło: [7]

Wzrost napięć znamionowych linii przesyłowych źródło: [7]

Ograniczenie wzrostu napięć linii napowietrznych

Ograniczenie wzrostu napięć linii napowietrznych c.d.

Ograniczenie wzrostu napięć linii napowietrznych c.d. W rzeczywistych układach przyjmuje się m = 1.2. Uwzględniając powyższe wielkości, maksymalne napięcie znamionowe nie może być wyższe niż ok. 2500 kV Obecnie stosowane napięcia znamionowe w sieciach przesyłowych wynoszą: 220, 275, 330, 345, (380), 400, 500, 735, 750, 765 i 1000 kV. CIGRE proponuje następujące zakresy napięć znamionowych (w nawiasach podano najwyższe dopuszczalne długotrwale napięcia): 380 ¸ 400 (420) kV; 500 (525) kV; 700 ¸ 750 (765) kV. Na kolejnych slajdach podano zależność jednostkowych nakładów inwestycyjnych oraz kosztów strat mocy i energii od napięcia znamionowego układu przesyłowego:

Jednostkowe nakłady inwestycyjne w funkcji napięcia źródło: [7]

Jednostkowe koszty strat mocy i energii na 1 kW×h energii przesyłanej na odległość 100 km źródło: [7]

Histogram obciążeń transformatorów 400/220 kV

Histogram obciążeń transformatorów 400/110 kV

Histogram obciążeń transformatorów 220/110 kV

Histogram obciążeń linii 400 kV

Histogram obciążeń linii 220 kV

Histogram obciążeń linii 110 kV