Энергосистема

Энергетическая система (энергосистема, ЭС) — совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, соединённых между собой и связанных общностью режимов в непрерывном процессе производства, преобразования, передачи, распределения и потребления электрической и тепловой энергии при общем управлении этим режимом.

Энергосистема как большая искусственная система

Электроэнергетические системы (ЭЭС) и их объединения относятся к классу больших искусственных систем (БИС), .

Системой можно назвать объединение элементов, образующих связное целое в некотором заранее принятом смысле. Под элементом будем понимать объект, учитываемый лишь внешними характеристиками и свойствами, т.е. не разлагаемый на составные части.

Искусственной системой называется созданная человеком совокупность объектов. Системы энергетики в этом отношении несут двойной смысл: кроме всего, человек рассматривается как их неотъемлемая часть. Ввиду этого они также называются человеко-машинными системами. Как правило, БИС тесно взаимодействуют с природными системами, что нельзя не учитывать в расчетах их функционирования и, особенно, развития.

Наконец, большими называют такие системы, которые характеризуются особыми, только им присущими свойствами. Главным из них является свойство эмерджентности. Эмерджентность означает появление у целого таких свойств, которых нет у составляющих его частей. Для того чтобы это качество проявило себя в полной мере, необходимо, чтобы части сами имели достаточно сложную внутреннюю структуру. Иначе, элементы, составляющие большую систему, рассматриваются как неделимые лишь на определенном этапе анализа, когда система представляется в агрегированной форме. При более детальном представлении её элементы также обнаруживают сложную структуру.

Нетрудно показать, что электрэнергетическая система также относятся к БИС, поскольку они являются человеко-машинными системами, связанными общими целями развития и функционирования, режимами работы, имеют сложную внутреннюю структуру, которая на различных этапах анализа по-разному агрегируется. На каждом уровне рассмотрения агрегированные элементы, по существу, представляют собой подсистемы рассматриваемой системы. На уровне рассмотрения подсистемы она сама выступает в качестве системы по отношению к своим элементам. Таких уровней БИС может иметь много, образуя тем самым иерархическую структуру. Свойство иерархичности является одним из основных свойств БИС.

Следует отметить, что элеткроэнергетические системы сами могут рассматриваться как подсистемы систем более высоких уровней. В частности, они являются подсистемами электроэнергетики как подотрасли топливно-энергетического комплекса (ТЭК). Тот, в свою очередь, входит в качестве отрасли в сектор экономики «промышленность». Во многих задачах развития элеткроэнергетической системы требуется рассматривать такие системы более высоких уровней. В этом случае уместнее говорить о больших системах энергетики (БСЭ).

Наряду с иерархичностью при анализе БСЭ необходимо учитывать также их связь с внешней средой, определяющей условия их развития. Этим, однако, далеко не исчерпываются главные свойства больших систем. К ним следует также отнести:

• организованность и управляемость на основе адаптации и эргатичности;
• двойственность природы;
• многосубъектность;
• многокритериальность;
• большое разнообразие состояний, свойств и связей;
• многовариантность функционирования и развития;
• устойчивость и динамизм развития;
• и некоторые другие.

Под организованностью и управляемостью понимается упорядоченность элементов системы, наличие определенной структуры, способность получать извне информацию и использовать ее для поддержания своей упоря-доченности. Если в этом процессе система повышает свою организованность, то она называется самоорганизующейся. Этот процесс связан с приспособлением (адаптацией) системы к меняющимся внешним условиям. Системы называются эргатическими, т.к. их адаптация происходит при участии человека.

Двойственность природы больших систем проявляется в том, что, с одной стороны, под влиянием причинно-следственных связей их поведение подчиняется определенным закономерностям, а с другой - обилие воздействий, учесть которые практически невозможно, заставляет рассматривать их как случайные явления, вносящие в поведение систем некоторую долю неопределенности.

Участие человека в БСЭ приводит к необходимости выделения различных субъектов системы управления (СУ), имеющих свои, порой противоречивые интересы. Таким образом, большие системы становятся многосубъектными.

Интересы даже одного субъекта СУ многообразны. В результате мы имеем дело со свойством многокритериальности больших систем. При этом подразумевается, что критерии являются выражением интересов субъектов.

Сложность структуры, многообразие элементов больших систем, связей между ними создают многообразие состояний и свойств БИС. В свою очередь, это позволяет достигать одного и того же целевого результата различными путями. Последнее отражается свойством многовариантности.

Обилие элементов БИС в совокупности с обилием противоречивых, изменяющихся во времени внешних и внутренних воздействий приводит к отсутствию резких скачков в развитии БИС. Иначе говоря, большие системы являются высокоинерционными, устойчивыми в своем динамическом развитии.

Методологической базой исследования энергосистем является системный подход, который базируется на следующих основных принципах:

• система должна рассматриваться как единое целое, а не как простая совокупность слагающих ее элементов;
• система представляет собой некоторую структуру, построенную по иерархическому или сетевому принципу организации, но с элементами иерархической структуры;
• система представлена своими субъектами, имеющими как общие, так и частные цели;
• изучение свойств системы возможно с использованием методов моделирования. Модели систем должны учитывать все их определяющие свойства и связи с окружающей средой;
• получаемые решения могут рассматриваться лишь как этапные, т.е. они должны непрерывно или периодически корректироваться и дополняться с учетом вновь появляющихся, ранее не учтенных обстоятельств, отражая свойство адаптивности БИС.

Реализация этих общих принципов требует применения соответствующей совокупности методов анализа БИС и выработки решений (рекомендаций) по их развитию и функционированию. Эта совокупность образует синтезирующую дисциплину - системный анализ.

Характерные свойства энергосистем

1. Одновременность процессов производства, распределения и потребления электроэнергии. Генерация электроэнергии жёстко определена её потреблением. Распределение электроэнергии происходит с потерями. В связи с чем необходимо учитывать следующие особенности:
   • Снижение выработки мощности на электростанциях против требуемого значения приводит к снижению потребления, в случае отсутствия резервных источников питания у потребителей.
   • Снижение потребления электрической энергии приводит к соответствующему (с точностью до потерь) снижению выработки мощности на генераторах электростанций. Это не даёт полностью использовать установленную мощность электростанций на период времени снижения потребления электрической энергии.
   • Небаланс между суммарной мощностью, генерируемой на электростанциях, и суммарной мощностью потребления в энергосистеме, не может существовать. При снижении мощности, генерируемой на электростанциях, автоматически снижается мощность потребления, но при этом обычно изменяется качество электрической энергии.
2. Быстрота протекания процессов в энергосистеме требует специальных автоматических быстродействующих устройств, обеспечивающих качество электроэнергии, требуемый уровень надёжности и живучести, а также надлежащее протекание переходных процессов.
3. Связи энергосистемы со всеми отраслями экономики предопределяют необходимость своевременного опережающего развития энергосистем.

Параметры описывающие состояние энергосистемы обычно получают на основе измерений или в результате моделирования. При этом на основе моделирования исследуемых процессов оценивается прогнозные значения параметров энергосистемы в тех или иных режимах работы. А натурные измерения позволяют оценить особенность реальных процессов происходящих в энергосистеме. Это позволяет верифицировать составленные модели и собрать необходимые исходные данные для моделирования.

Преимущества объединения электрических систем

Объединение отдельных электрических систем и генераторов на параллельную работу позволяет достичь следующих преимуществ:

• Уменьшение величины суммарного резерва мощности.
• Увеличение числа часов использования дешёвых источников энергии, например гидроэлектростанций.
• Снижение суммарного максимума нагрузки объединённой энергосистемы за счёт «широтного» и «долготного» эффекта.
• Взаимопомощь в случае неодинаковых сезонных (суточных) изменений мощности электростанций.
• Облегчение работы энергосистем при проведение плановых ремонтов.

«Долготный» эффект — возникает при объединении отдельных энергосистем и генераторов по долготе. В этом случае часы максимумов нагрузки смещены по времени, что приводит к снижению суммарного совмещённого максимума.

«Широтный» эффект — возникает при объединении отдельных энергосистем и генераторов по широте. В этом случае длительность максимумов нагрузки на различных широтах может отличаться, в связи с чем возможна помощь со стороны районов энергосистемы с меньшей длительностью максимума нагрузки.

При этом важно отметить, что увеличение количества параллельно работающих генераторов приводит к следующим негативным эффектам:

• Увеличение токов короткого замыкания.
• Появляется возможность возникновения крупных каскадных аварий.

Основные элементы

В электроэнергетической системе принято выделять следующие элементы:

1. Линии электропередач.
2. Электрические машины.
3. Коммутационные аппараты.
4. Устройства силовой электроники.
5. Приёмники электрической энергии (нагрузка).
6. Релейная защита и автоматика.
7. Устройства заземления.
8. Измерительные устройства.

Дополнительная литература

1. Электрические системы. Электрические сети. / Под ред. д.т. н. В. А. Веникова. М.: Высшая школа — 1971.