RU2484571C1 - Electric energy transmission system - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: one proposes to design the distribution grid in the form of connected hexagons at the vortexes whereof load nodes are positioned, each having a feeding, a transit and a backup lines with their interchangeability possibility; via a Y-junction of two circuit breakers (the operating one and the backup one) each line is connected to the operating and the backup bus systems that are interconnected a section circuit breaker; consumer lines are connected to the operating bus system; an integrated control module is installed in each load node.

EFFECT: higher reliability of the system operation.

3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области передачи и распределения электрической энергии и может быть использовано для распределительных сетей напряжением 10-220 кВ.The invention relates to the field of transmission and distribution of electrical energy and can be used for distribution networks with a voltage of 10-220 kV.

Практическая необходимость в использовании предлагаемого решения заключается в потребности полной автоматизации, самоорганизации и адаптации к режимам работы электрической сети, соответствующих принципам построения сетей Smart Grid. Важнейшим фактором снижения стоимости выпускаемого оборудования и его эксплуатационных расходов является унификация. Кроме того, увеличение уровня надежности систем электроснабжения является актуальным для городских и промышленных сетей. Известные способы передачи не в полной мере удовлетворяют возрастающие требования.The practical need to use the proposed solution lies in the need for full automation, self-organization and adaptation to the operating modes of the electric network, corresponding to the principles of building Smart Grid networks. The most important factor in reducing the cost of manufactured equipment and its operating costs is unification. In addition, increasing the reliability level of power supply systems is relevant for urban and industrial networks. Known transmission methods do not fully satisfy the increasing requirements.

Известны кольцевые схемы электроснабжения (http://www.powergrids.ru/content/view/13/43/), применяемые для электроприемников второй и третьей категорий надежности электроснабжения (Фиг. 1). При повреждении любой из распределительных линий электроснабжение электроприемников восстанавливают ручным отключением поврежденной линии и включением резервной.Known ring power supply schemes (http://www.powergrids.ru/content/view/13/43/) used for power receivers of the second and third categories of reliability of power supply (Fig. 1). If any of the distribution lines is damaged, the power supply to the electrical receivers is restored by manually turning off the damaged line and turning on the backup one.

На Фиг.1 обозначены: РП1, РП2 - распределительные пункты, ТП1, ТП2, ТП3, ТП4 - трансформаторные подстанции.In figure 1 are indicated: RP1, RP2 - distribution points, TP1, TP2, TP3, TP4 - transformer substations.

В кольцевой схеме электроснабжения имеются места деления (разрывы) сети, в которых постоянно отключены разъединители или выключатели.In the ring power supply circuit there are network divisions (breaks) in which disconnectors or switches are constantly disconnected.

Разъединители или выключатели в месте деления сети включают при необходимости подачи электроэнергии от резервной линии в случае повреждения основной линии или отключения ее для производства на ней работ.Disconnectors or switches at the point of dividing the network include, if necessary, the supply of electricity from the backup line in case of damage to the main line or disconnecting it for work on it.

Перерыв в электроснабжении при этой схеме допускается на время, необходимое для отключения поврежденного участка и производства переключений (примерно 2 ч.).An interruption in power supply under this scheme is allowed for the time necessary to turn off the damaged area and perform switching (about 2 hours).

Более надежными схемами электроснабжения электроприемников являются схемы, в которых предусматривается параллельная работа питающих линий или автоматическое включение резервного питания (АВР) (Фиг.2).More reliable power supply circuits for power consumers are circuits that provide for parallel operation of the supply lines or automatic inclusion of backup power (ATS) (Figure 2).

На Фиг.2 обозначены: ИП1, ИП2 - источники питания, РП - распределительный пункт, ТП1, ТП2 - трансформаторные подстанции.Figure 2 marked: IP1, IP2 - power sources, RP - distribution point, TP1, TP2 - transformer substations.

ABP является методом релейной защиты, который служит для обеспечения надежной работы сети электропитания. АВР призвана создать возможность подключения резервных источников питания при аварии в основной системе электроснабжения. Переключение на резервный источник питания и отключение поврежденного участка происходит в диапазоне от 0,3 до 0,8 секунд.ABP is a relay protection method that serves to ensure reliable operation of the power supply network. The ABP is designed to create the ability to connect redundant power supplies during an accident in the main power supply system. Switching to the backup power source and disconnecting the damaged area occurs in the range from 0.3 to 0.8 seconds.

Зачастую взаиморезервируемые линии электропередач прокладываются в параллельно идущих траншеях или даже в одной траншее с несгораемой перегородкой (кабельные линии) или подвешиваются на одну опору (воздушные линии). Тем самым, при определенных обстоятельствах, возможна потеря обеих взаиморезервируемых линий. Например: обрушение опоры с двухцепной воздушной линией при сильном гололеде; механические повреждения траншеи с двумя взаиморезервируемыми кабельными линиями при проведении земляных работ и т.п.Often, mutually redundant power lines are laid in parallel trenches or even in the same trench with a fireproof partition (cable lines) or suspended on one support (overhead lines). Thus, under certain circumstances, the loss of both mutually redundant lines is possible. For example: collapse of a support with a double-chain air line with strong ice; mechanical damage to the trench with two interconnected cable lines during earthwork, etc.

Опыт эксплуатации распределительных сетей 6-10 кВ, а также последствия известных аварий показывают, что существующая конфигурация сети 6-10 кВ не может удовлетворять растущим требованиям к надежности, предъявляемым городским и промышленным сетям.Operating experience of distribution networks of 6-10 kV, as well as the consequences of known accidents show that the existing configuration of a 6-10 kV network cannot satisfy the growing reliability requirements of urban and industrial networks.

Недостатки существующих распределительных сетей:Disadvantages of existing distribution networks:

- в существующих распределительных сетях нет такого понятия, как «самозаживающая» сеть. Если есть отказ питающей линии электропередачи 6-10 кВ при условии, что они имеют тенденцию работать на радиальной основе (по большей части), есть неизбежный перерыв в электроснабжении;- in existing distribution networks there is no such thing as a “self-healing” network. If there is a failure of the power supply line of 6-10 kV, provided that they tend to work on a radial basis (for the most part), there is an inevitable interruption in power supply;

- высоки потери электроэнергии (до 16%);- electricity losses are high (up to 16%);

- отставание сетевой инфраструктуры от потребности в электрической энергии и мощности;- the lag of network infrastructure from the need for electric energy and power;

- конфигурация распределительных сетей не позволяет осуществить принцип распределенной генерации;- the distribution network configuration does not allow the principle of distributed generation to be implemented;

- невозможно реализовать автоматическое управление распределением и потреблением ресурсов электроэнергии на всех уровнях напряжения.- it is impossible to implement automatic control of the distribution and consumption of electricity resources at all voltage levels.

Известен способ распределения электроэнергии и устройство для его осуществления (пат. РФ №2036503, G05B 19/18, H02J 4/00, опубл. 27.05.1995.) Способ заключается в формировании сигналов управления, которые объединяют в мультиплексные сигналы с использованием временного разделения каналов. Здесь речь идет об управлении распределением электроэнергии и патент не касается топологии сети.A known method of distributing electricity and a device for its implementation (US Pat. RF No. 2036503, G05B 19/18, H02J 4/00, publ. 05.27.1995.) The method consists in generating control signals that are combined into multiplexed signals using time division of channels . This is about power distribution management and the patent does not cover network topology.

В качестве прототипа принята система для реализации способа передачи электрической энергии по патенту РФ №2337451, H02J 3/00, опубл. 27.10.2008, содержащая передающую подстанцию, высоковольтный выключатель, выключатель отходящей линии, линию электропередачи с трехфазными кабелями, трансформаторную подстанцию, распределительную сеть, между выключателем отходящей линии и трансформаторной подстанцией включены две трехфазные вентильные группы с взаимно противоположными направлениями электропроводности, в трансформаторной подстанции установлен понижающий трансформатор с расщепленными первичными обмотками, соединенными по схеме «звезда», нейтрали которых соединены между собой, вентильные группы соединены двумя трехфазными кабелями с первичными обмотками понижающего трансформатора.As a prototype, a system has been adopted for implementing the method of transmitting electric energy according to the patent of the Russian Federation No. 2337451, H02J 3/00, publ. 10.27.2008, containing a transmission substation, a high-voltage switch, an outgoing line switch, a power line with three-phase cables, a transformer substation, a distribution network, two three-phase valve groups with mutually opposite directions of electrical conductivity are connected between the outgoing line switch and a transformer substation, a step-down is installed in the transformer substation transformer with split primary windings connected according to the "star" scheme, the neutrals of which are connected to waiting for myself, the valve groups are connected by two three-phase cables to the primary windings of a step-down transformer.

В этом решении ставится задача снижения величины токов короткого замыкания и снижения требований к выключателям по отключающей способности, удешевления распределительных устройств, уменьшения суммарного сечения питающих токоведущих проводников (проводов, кабелей), снижения потерь электроэнергии, напряжения и мощности.In this solution, the task is to reduce the value of short-circuit currents and reduce the requirements for circuit breakers in terms of breaking capacity, reduce the cost of switchgear, reduce the total cross-section of supplying current-carrying conductors (wires, cables), reduce losses of electricity, voltage and power.

Однако недостаточна эффективность и надежность работы из-за неравномерной загрузки сети и из-за хаотичного расположения потребителей, их удаленности от подстанции.However, the efficiency and reliability of the work is insufficient due to uneven network load and due to the chaotic location of consumers, their remoteness from the substation.

Решается задача создания более эффективной системы передачи электрической энергии.The task of creating a more efficient transmission system of electric energy is being solved.

Технический результат - повышение надежности работы системы за счет осуществления принципа распределенной генерации электрической энергии (равномерная загрузка сети, приближение потребителей к источникам питания), создание равномерно распределенных узлов потребления электрической энергии, соединенных между собой равномерно загруженными линиями электропередачи (кабелями одинакового сечения).The technical result is to increase the reliability of the system by implementing the principle of distributed generation of electrical energy (uniform load of the network, the proximity of consumers to power sources), the creation of evenly distributed nodes for the consumption of electrical energy, interconnected by uniformly loaded power lines (cables of the same cross section).

Этот технический результат достигается тем, что в системе передачи электрической энергии, содержащей передающую подстанцию, линию электропередачи, кабельную распределительную сеть к нагрузкам, выключатели, трансформаторы, распределительная сеть выполнена в виде связанных шестиугольников, в вершинах которых расположены узлы нагрузки, каждый из них имеет питающую, транзитную и резервную линии с возможностью их взаимозаменяемости, каждая из линий через развилку из двух выключателей, рабочего и резервного, подключена к рабочей и резервной системам шин, последние соединены между собой секционным выключателем, к рабочей системе шин подключены потребительские линии через выключатели, в каждом узле нагрузки установлен интегрированный модуль управления; к рабочей системе шин может быть подключен генератор; система выполнена многоуровневой, узлы нагрузки разных уровней соединены между собой трансформаторными связями.This technical result is achieved in that in an electric power transmission system comprising a transmission substation, a power line, a cable distribution network to loads, switches, transformers, a distribution network is made in the form of connected hexagons, at the tops of which load nodes are located, each of them has a power supply , transit and backup lines with the possibility of their interchangeability, each of the lines through a fork of two switches, a working and a backup, is connected to a working and a backup second bus systems, the latter are interconnected section switch, to the working system bus connected consumer line via switches, integrated control module is installed in each node of the load; a generator can be connected to the bus system; the system is multilevel, load nodes of different levels are interconnected by transformer links.

Потребители питаются от ближних узлов короткой сети, при этом снижаются потери напряжения и мощности. Выход из строя одного или даже нескольких узлов нагрузки не приведет к разрушению сети благодаря жесткой связи всех узлов. При потере питающей линии (обрыв, авария) сеть обеспечит питание узла по одной из двух оставшихся линий, изменяя их предыдущее состояние в автоматическом режиме, сеть найдет оптимальный из возможных путей доставки электрической энергии потребителям. Организация уровней позволяет расширить площадь обслуживаемой территории.Consumers are powered by the near nodes of the short network, while reducing voltage and power losses. The failure of one or even several load nodes will not lead to the destruction of the network due to the rigid connection of all nodes. If the supply line is lost (breakage, accident), the network will provide power to the node along one of the two remaining lines, changing their previous state in automatic mode, the network will find the optimal way of delivering electric energy to consumers. The organization of levels allows you to expand the area served area.

Система передачи электрической энергии приведена на чертежах:The electric power transmission system is shown in the drawings:

на Фиг.3 - принцип формирования сети,figure 3 - the principle of network formation,

на Фиг.4 - узел нагрузки,figure 4 - node load

на Фиг.5 - пространственное представление двухуровневой распределительной сети,figure 5 is a spatial representation of a two-level distribution network,

на Фиг.6 - схема узла нагрузки.6 is a diagram of the load node.

Система передачи электрической энергии включает передающую подстанцию, линию электропередачи (на чертеже не показаны).The electric power transmission system includes a transmission substation, a power line (not shown in the drawing).

На Фиг.3 позицией 1 обозначена распределенная электрическая сеть, имеющая конфигурацию связанных шестиугольников 2 (образующих соты), в вершинах которых располагаются узлы нагрузки 3. Шестиугольники 2 не обязательно должны иметь правильную форму. Расстояние (плечо) между узлами нагрузки 3 определяется плотностью нагрузок. Каждый узел нагрузки 3 имеет питающую 4, транзитную 5 и резервную 6 линии. Стрелками обозначен поток мощности. Распределительная сеть является инвариантной. Питающая линия может стать при необходимости транзитной или резервной, транзитная - питающей, резервная - транзитной, т.е возможна переконфигурация узла и изменение потоков мощности в сети в зависимости от той или иной ситуации.3, reference numeral 1 denotes a distributed electrical network having a configuration of connected hexagons 2 (forming cells), at the tops of which load nodes 3 are located. Hexagons 2 need not have the correct shape. The distance (shoulder) between the nodes of the load 3 is determined by the density of the loads. Each load node 3 has a power supply 4, a transit 5 and a backup 6 line. The arrows indicate the power flow. The distribution network is invariant. The supply line can become, if necessary, transit or backup, transit - supply, backup - transit, that is, reconfiguration of the node and change in power flows in the network depending on a particular situation are possible.

На Фиг.5 позицией 7 обозначена сеть первого уровня, где расположены узлы нагрузки, представляющие собой распределительные пункты на 10-20 кВ, 8 - сеть второго уровня, где расположены узлы нагрузки на 110-220 кВ. в третьем уровне (на чертеже не показан) - узлы нагрузки, представляющие собой распределительные пункты на 220 кВ и выше. Узлы нагрузки разных уровней связаны между собой трансформаторными связями 9. Позицией 10 обозначены потребительские линии, позицией 11 - генераторные установки.5, numeral 7 denotes a first-level network where load nodes are located, which are distribution points for 10-20 kV, 8 is a second-level network where load nodes for 110-220 kV are located. in the third level (not shown in the drawing) - load nodes, which are distribution points for 220 kV and above. The load nodes of different levels are interconnected by transformer couplings 9. Position 10 denotes consumer lines, position 11 denotes generator sets.

На Фиг.6 каждая из линий 4, 5, 6 через развилку из двух выключателей 12, 13 - резервного и рабочего подключена к рабочей и резервной системам шин 14, 15. Системы шин 14, 15 соединены между собой секционным выключателем 16. К рабочей системе шин 14 подключены потребительские выключатели 17. Для преобразования напряжения и тока до значений, удобных для измерения, используются трансформаторы напряжения 18 и трансформаторы тока 19. В каждом узле нагрузки 3 установлен интегрированный модуль управления (ИМУ) 20, представляющий собой промышленный контроллер, анализирующий входящие сигналы от вторичных сетей (трансформаторов тока, трансформаторов напряжения и пр.), выключателей и выдающий соответствующие команды управления. Он может осуществлять также релейную защиту узла нагрузки, автоматизированный учет электроэнергии. Однако эти вопросы не являются предметом настоящей заявки.6, each of the lines 4, 5, 6 through a fork of two switches 12, 13 - backup and working connected to the working and backup bus systems 14, 15. Bus systems 14, 15 are interconnected by a section switch 16. To the working system busbars 14 are connected consumer switches 17. To convert voltage and current to values convenient for measurement, voltage transformers 18 and current transformers 19 are used. Each load node 3 has an integrated control module (IMU) 20, which is an industrial controller, analyzes ziruyuschaya incoming signals from secondary networks (current transformers, voltage transformers, etc.), circuit breakers and issuing appropriate control commands. He can also carry out relay protection of the load node, automated metering of electricity. However, these issues are not the subject of this application.

К рабочей системе шин 14 с использованием выключателя 21 подключен генератор 22. Генераторы могут быть установлены в отдельных узлах нагрузки и могут быть выполнены как на традиционном топливе (газ, уголь, мазут), так и на возобновляемых источниках энергии (солнечные, ветровые и т.п.) В результате снизятся потери электрической энергии, т.к. источник энергии будет находиться ближе к потребителю.A generator 22 is connected to the working bus system 14 using a switch 21. The generators can be installed in separate load nodes and can be performed both on traditional fuel (gas, coal, fuel oil), and on renewable energy sources (solar, wind, etc.). n.) As a result, the loss of electric energy will decrease, because the energy source will be closer to the consumer.

В системе использованы типовые узлы и устройства. Оборудование в них комплектное, унифицированное, что упрощает изготовление, монтаж и наладку.The system uses typical nodes and devices. The equipment in them is complete, unified, which simplifies the manufacture, installation and commissioning.

Система передачи электроэнергии работает следующим образом. Электрическую энергию передают через линию электропередачи, по кабелям одинакового сечения распределительных сетей - к узлам нагрузки 3. Все узлы нагрузки 3 находятся под напряжением, т.е. каждый узел может быть источником электроэнергии для потребителей. Работа узла нагрузки 3 может быть показана на примере. Питание осуществляется от линии 4, транзит происходит по линии 5, линия 6 находится в резервном состоянии. Выключатель 12 линии 4 отключен, выключатель 13 линии 4 включен. Выключатель 12 линии 5 отключен, выключатель 13 линии 5 включен. Выключатель 12 линии 6 включен, выключатель 13 линии 6 отключен. Секционный выключатель 16 отключен. При этом потребители получают электроэнергию с рабочей системы шин 14. При выходе из строя линии 4 отключается выключатель 13 линии 4. Включается секционный выключатель 16, и потребители питаются через резервную систему шин 15.The power transmission system operates as follows. Electric energy is transmitted via a power line, through cables of the same cross-section of distribution networks to load nodes 3. All load nodes 3 are energized, i.e. each node can be a source of electricity for consumers. The operation of the load node 3 can be shown as an example. Power is supplied from line 4, transit occurs through line 5, line 6 is in standby state. The switch 12 of line 4 is turned off, the switch 13 of line 4 is turned on. The switch 12 of line 5 is turned off, the switch 13 of line 5 is turned on. The switch 12 of line 6 is turned on, the switch 13 of line 6 is turned off. Section switch 16 is off. At the same time, consumers receive electricity from the working bus system 14. When the line 4 fails, the circuit breaker 13 of the line 4 is turned off. The sectional switch 16 is turned on, and the consumers are fed through the backup bus system 15.

Узел нагрузки продолжает работать. На линии 4 в это время ликвидируют аварию, а питание осуществляется по линии 6.The load node continues to operate. On line 4, the accident is eliminated at this time, and power is supplied on line 6.

Генератор 22 может работать как в штатном режиме, так и при возникновении дефицита мощности.The generator 22 can operate both in normal mode and in the event of a power shortage.

Таким образом, при реализации предлагаемого изобретения достигаются следующие результаты: существенное увеличение надежности и экономической эффективности функционирования ЕЭС России; улучшение качества обслуживания потребителей электроэнергии при удешевлении поставляемой электроэнергии.Thus, when implementing the invention, the following results are achieved: a significant increase in the reliability and economic efficiency of the functioning of the UES of Russia; improving the quality of service to consumers of electricity while reducing the cost of electricity supplied.

Claims (3)

1. Система передачи электрической энергии, содержащая передающую подстанцию, линию электропередачи, кабельную распределительную сеть к нагрузкам, выключатели, трансформаторы, отличающаяся тем, что распределительная сеть выполнена в виде связанных шестиугольников, в вершинах которых расположены узлы нагрузки, каждый из них имеет питающую, транзитную и резервную линии с возможностью их взаимозаменяемости, каждая из линий через развилку из двух выключателей: рабочего и резервного подключена к рабочей и резервной системам шин, последние соединены между собой секционным выключателем, к рабочей системе шин подключены потребительские линии через выключатели, в каждом узле нагрузки установлен интегрированный модуль управления.1. A transmission system of electric energy, comprising a transmission substation, a transmission line, a cable distribution network to loads, switches, transformers, characterized in that the distribution network is made in the form of connected hexagons, at the tops of which load nodes are located, each of them has a supply, transit and a backup line with the possibility of their interchangeability, each of the lines through a fork of two switches: a working and a backup connected to a working and backup bus systems, the last with interconnected by a sectional switch, consumer lines are connected to the working bus system via switches, an integrated control module is installed in each load node. 2. Система передачи электрической энергии по п.1, отличающаяся тем, что в каждом узле нагрузки к рабочей системе шин подключен генератор.2. The electric energy transmission system according to claim 1, characterized in that a generator is connected to a working bus system in each load node. 3. Система передачи электрической энергии по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена многоуровневой, узлы нагрузки разных уровней соединены между собой трансформаторными связями. 3. The electric energy transmission system according to claim 1, characterized in that it is multilevel, load nodes of different levels are interconnected by transformer links.

Images