Обеспечение качества электроэнергии
в системах электроснабжения общего назначения

Г. К. Масленников, начальник Управления «Мособлгосэнергонадзор»,

Е. В. Дубинский, главный инженер, зам. начальника Управления «Мособлгосэнергонадзор»

В то же время, существенного продвижения в направлении практического решения этой проблемы не наблюдается.

В качестве одного из основных препятствий ранее указывалось отсутствие приборов для контроля КЭ. В настоящее время этот вопрос можно считать решенным, однако вопреки ожиданиям это не изменило ситуацию коренным образом. Анализ сложившегося положения показывает, что в технической политике, направленной на обеспечение требуемого КЭ в системах электроснабжения общего назначения (СЭС), в основном преобладает административно-принудительный подход. Он, безусловно, необходим, поскольку позволяет подвести твердую правовую базу под задачу обеспечения КЭ, однако в силу административно-принудительного характера делает возможным только первый шаг в этом направлении. Использование только таких мер, как, например, поголовная сертификация СЭС по КЭ, вряд ли может быстро привести к ощутимым результатам. Во-первых, они связаны со значительными материальными затратами со стороны энергосистем. В условиях неплатежей, изношенности основного сетевого и генерирующего оборудования и т. п. энергосистемы будут всячески уклоняться от затрат на проведение сертификации и поддержания необходимого уровня КЭ, когда средства требуются на гораздо более неотложные, по мнению эксплуатационных организаций, нужды. Во-вторых, сама сертификация не дает гарантии постоянного и повсеместного обеспечения требуемого КЭ, т. к. в этой процедуре контроль КЭ проводится эпизодически и на ограниченном числе объектов всей сети. Это позволяет энергосистемам не прикладывать постоянных усилий к поддержанию КЭ на требуемом уровне.

Вместе с тем уже сейчас можно сделать значительный шаг в направлении обеспечения требуемого уровня КЭ СЭС, затрачивая при этом со стороны энергосистем незначительные средства. Речь идет о постепенном переходе к принципам экономической заинтересованности всех субъектов СЭС в обеспечении требуемого КЭ. Ключевыми здесь являются следующие моменты:

- практическое введение договорных обязательств о разделении взаимной ответственности за КЭ между поставщиками и потребителями электроэнергии;

- разработка системы мер экономического поощрения или наказания в зависимости от воздействия субъекта СЭС на КЭ в сети (например, гибкая система с учетом скидок/надбавок к тарифам на электроэнергию в зависимости от ее качества);

- разработка соответствующих технических средств измерения и налаживание их серийного, массового производства, которые позволят инструментально реализовывать принятые экономические меры;

- введение обязательной сертификации всех вновь присоединяемых и реконструируемых потребителей и электрических станций по допустимому вкладу (эмиссии) в искажения напряжения.

Существующая на настоящий момент нормативная база дает ответ на ряд поставленных здесь задач, однако некоторые аспекты определены недостаточно четко. Например, как АО-Энерго должно отвечать перед своими потребителями за превышение отклонений частоты, которая находится в ведении РАО «ЕЭС России». Как муниципальные сети должны отвечать за отклонения напряжения, если они фактически не имеют средств его автоматического регулирования, и т. д.

Принятая в настоящее время система скидок и надбавок является, по существу, поощрительной и на практике, насколько нам известно, еще нигде не применялась. Одной из основных причин здесь является то, что в настоящее время отсутствуют приборы, которые измеряли бы показатели качества электроэнергии (ПКЭ) на достаточно длительных интервалах времени (не менее месяца) с одновременным учетом потребленной электроэнергии и определением виновника вносимых искажений. Ключевую роль в этом вопросе должно сыграть широкое применение счетчика электрической энергии, который осуществляет расчет за потребленную (отпущенную) электроэнергию в зависимости от показателей ее качества и виновника вносимых искажений. Такой счетчик должен иметь высокую точность (класс 0,5) и измерять одновременно активные и реактивные мощности (в том числе и мощности искажений) во всех квадрантах.

Одной из основных причин сложившегося неудовлетворительного положения по КЭ и СЭС является недостаточное внимание к данному вопросу на протяжении всех последних десятилетий со стороны всех участников системы электроснабжения. Существовало (и продолжает существовать) положение, когда к сети присоединяются потребители, вносящие недопустимо высокие искажения напряжения в сети, оказывающие воздействие на всю СЭС и влияющие на нормальную работу других потребителей. Именно поэтому для предотвращения дальнейшего ухудшения КЭ должна быть введена обязательная сертификация по КЭ в первую очередь всех вновь присоединяемых и реконструируемых потребителей и электрических станций. Должна быть также предусмотрена при необходимости возможность проведения такой сертификации на шинах ранее присоединенных потребителей по требованию органов энергонадзора и энергоснабжающей организации.

Ниже, в порядке обсуждения, рассмотрены возможные направления технико-экономической политики в части обеспечения КЭ по тем показателям, контроль по которым предусматривается при сертификации электроэнергии и которые включаются в договоры на электроснабжение. К ним относятся:

- отклонение частоты;

- отклонение напряжения;

- коэффициенты несимметрии напряжения по обратной и нулевой последовательностям;

- коэффициенты искажения синусоидальности и n-й гармонической составляющей напряжения.

Ответственность за поддержание частоты в заданных ГОСТ 13109-97 пределах возлагается на энергоснабжающую организацию (поставщика электроэнергии). В то же время регулирование частоты – компетенция ЦДУ РАО «ЕЭС России», которое не вступает напрямую в договорные отношения с потребителями электроэнергии (покупателями). Поэтому экономический механизм должен быть различным в отношениях между энергоснабжающими организациями, являющимися участниками ФОРЭМ, и между энергоснабжающими организациями и потребителями.

В первом случае снижение частоты должно сопровождаться удорожанием электроэнергии, поскольку оно вызвано деффицитом генерируемой мощности. И наоборот, при повышенной частоте, избытке генерируемой мощности электроэнергия должна быть дешевле. Такой механизм будет стимулировать увеличение нагрузки (потребления) при повышенной частоте и снижении нагрузки при пониженной частоте.

Во втором случае энергоснабжающая организация всегда продает электроэнергию потребителю по сниженному тарифу при отклонении ПКЭ по частоте независимо от знака отклонения частоты.

Счетчик электрической энергии, учитывающий одновременно и отклонение частоты, позволит легко реализовать тот или иной механизм на практике.

Основные проблемы с отклонениями напряжения возникают в распределительных сетях, которые, как правило, являются муниципальными и не входят в состав АО-Энерго и, следовательно, в РАО «ЕЭС России». Вопросы обеспечения необходимого уровня напряжений в АО-Энерго в подавляющем большинстве случаев решаются средствами регулирования напряжения (например, РПН), которые должны поддерживаться в исправном состоянии при правильной настройке, что не требует значительных затрат. При этом решается и большинство вопросов с режимами напряжения в питающихся от АО-Энерго распределительных сетях, как правило, не имеющих собственных автоматизированных средств регулирования напряжения.

Нельзя не отметить, что уровни напряжения у потребителей зависят в ряде случаев также от их «режимной дисциплины», т. е. насколько точно эти потребители выполняют согласованные графики электропотребления и оговоренные режимные ограничения. Поэтому для потребителей, рассчитывающихся за активную и реактивную мощность и энергию, договорами на электроснабжение должно устанавливаться безусловное обязательство энергоснабжающей организации поддерживать в точке общего присоединения или в другой оговоренной точке контроля значения отклонения напряжения в соответствии с нормами ГОСТ 13109-97 при обязательном условии установки у потребителя автоматизированной системы коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ) и выполнения ими оговоренных графиков электропотребления и других режимных мероприятий. Для потребителей, которые только рассчитываются за активную мощность и энергию, должны устанавливаться обязательства энергоснабжающей организации по поддержанию необходимого уровня отклонения напряжения, имеющегося у потребителей собственных средств регулирования напряжения и компенсации реактивной мощности. При этом желательно наличие АСКУЭ и у этих потребителей.

Выход отклонений напряжения за допустимые по договору пределы сопровождается для потребителя снижением стоимости электроэнергии, например, в виде скидок к тарифу. Безусловно, и эта задача может быть решена только инструментальным путем, т. е. с помощью счетчика электроэнергии, учитывающего КЭ по отклонениям напряжения.

Наибольшие проблемы, в том числе и по требуемым материальным затратам, возникают с такими характеристиками КЭ, как несимметрия и несинусоидальность напряжения.

Проведенные в различных энергосистемах исследования показали, что на шинах электростанций напряжение, как правило, не содержит искажений по этим показателям. Передающие сети обычно не вносят сколь-либо существенных искажений напряжения по этим ПКЭ.

Основными виновниками ухудшения КЭ по несимметрии и несинусоидальности являются потребители, генерирующие токи обратной и нулевой последовательности, токи высших гармоник, распространяющихся по всей сети. Тем самым они ухудшают КЭ на шинах других потребителей, что вызывает справедливые нарекания со стороны остальных потребителей к электроснабжающей организации, отвечающей за КЭ в точке присоединения потребителя.

Первым шагом по обеспечению КЭ по указанным показателям должно быть выявление таких потребителей. Технически это достигается либо проведением периодического контроля КЭ самой электроснабжающей организацией в различных точках сети, либо путем создания стационарной системы мониторинга ПКЭ в сети (что в основном используется в последнее время в развитых странах).

Следующим шагом является необходимость убедить виновников искажения и выделить средства и осуществить необходимые организационно-технические мероприятия для уменьшения эмиссии искажений в питающую сеть. Как правило, чисто административные меры здесь редко приносят пользу. Задача состоит в том, чтобы создать этим потребителям такие экономические условия пользования электроэнергией, при которых им окажется экономически выгодно принять меры по ограничению вносимых искажений. Наиболее простым и очевидным решением является введение такой системы тарифов для расчетов за электроэнергию, при которой плата за электроэнергию в случае внесения искажений ПКЭ потребителем существенно возрастает.

Использование уже существующей системы скидок и надбавок за электроэнергию позволяет в принципе это сделать при условии, что измерения ПКЭ производятся не эпизодически, а непрерывно, синхронно с измерением потребляемой (отпускаемой) электроэнергии. Для этого должен быть разработан счетчик электроэнергии, который одновременно с измерением потребленной (отпущенной) энергии измеряет ПКЭ, учитывая при этом степень виновности в искажениях напряжения, и автоматически на этом основании определяет размеры скидок (надбавок) за потребленную электроэнергию. Если у потребителей, вносящих основной вклад в эти искажения (например, тяговые подстанции, металлургические комбинаты и т. д.), установить такие счетчики, то они будут вынуждены платить за электроэнергию значительно больше (в пределе 10% тарифов по каждому ПКЭ), потому что сами являются виновниками искажений. Доход электроснабжающей организации возрастет, что позволит ей компенсировать убытки, возникающие за счет исков от других потребителей вследствие плохого КЭ, а также направить дополнительные средства на мероприятия по поддержанию КЭ в сети. С другой стороны, это поставит данные предприятия-виновники перед экономической необходимостью осуществить технические мероприятия по уменьшению вносимых искажений (фильтры высших гармоник, изменение режимов работы оборудования и т. д.). Тем самым уменьшится количество искажений в сети и, собственно, уменьшится количество претензий на КЭ со стороны других потребителей.

Обязав предприятия – виновников искажений установить такие счетчики, электроснабжающая организация создаст условия для постепенного улучшения ПКЭ в сети, автоматически распределив при этом основные необходимые затраты на поддержание КЭ между потребителями, вносящими основные искажения, что представляется совершенно справедливым.

Для создания такого счетчика, начала его серийного производства и широкого применения необходимо решить две основные задачи.

1. Техническая – создание самого счетчика.

Похожий прибор уже разработан и серийно выпускается. Это анализатор качества электрической энергии «ЭРИС-КЭ», созданный в Московском энергетическом институте. Прибор сертифицирован, измеряет ПКЭ по напряжениям и токам, рассчитывает все активные и реактивные мощности и энергии по основной гармонике, а также по всем высшим гармоникам до 40-й включительно, по нулевой и обратной последовательностям. Определяет источник искажений.

Для его доработки как счетчика электроэнергии, учитывающего показатели ее качества, необходима конструктивная переработка прибора для обеспечения существующих нормативных требований к счетчикам электроэнергии, а также доработка программного обеспечения.

2. Нормативно-правовая.

Необходимо разработать и официально утвердить:

- методику определения виновника искажений ПКЭ;

- систему тарифов в зависимости от ПКЭ потребляемой (отпускаемой) электроэнергии.

Основная подготовительная работа по этим вопросам уже выполнена в Московском энергетическом институте совместно с ОАО «Мосэнерго», ВНИИЭ, Главгосэнергонадзором и рядом других организаций. Требуется дальнейшая работа в данном направлении по ее завершению. Однако уже сейчас вполне возможна опытная эксплуатация таких счетчиков в соответствии с временными нормативами и временными руководящими указаниями, опирающимися на уже существующие нормативные документы (например, система скидок и надбавок за КЭ, методики определения допустимого расчетного и фактического вкладов в ПЭК и т. д.).

Выводы

1. Существенным в решении проблемы обеспечения КЭ является использование экономического механизма воздействия на участников электроснабжения и потребления в зависимости от степени их виновности в ухудшении КЭ.

2. Эффективность экономического механизма может быть обеспечена только инструментальным путем через применение специализированных средств учета электроэнергии при одновременном непрерывном контроле ее качества, направленном на определение виновника ухудшения КЭ и величины этого изменения.

Применение электрической энергии для производства иной продукции непосредственно влияет на их качество, а для населения – на комфортные условия жизни или их отсутствие. Любой электроприбор требует определенных параметров электрического тока прежде всего номинальной частоты напряжения.

В Москве и Московской области появилось огромное количество современной бытовой техники, работающей через вторичные источники питания (компьютеры, телевизоры и пр.), которые ухудшают качество электроэнергии, хотя сами и требуют необходимых параметров.

К снижению надежности системы электроснабжения в целом приводят электромагнитные параметры:

- снижение процессов генерации, передачи и потребления электроэнергии за счет увеличения потерь в питающих сетях;

- уменьшение срока службы, нарушение нормальной работы электрооборудования и старения изоляции;

- нарушение нормальной работы и выход из строя устройств релейной защиты, автоматики и связи.

В настоящее время ГОСТом 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах энергоснабжения общего назначения» определены 11 параметров (показателей) качества электрической энергии.

Для потребителей электрической энергии нашего региона наиболее значимыми являются:

- отклонение напряжения;

- колебания напряжения.

Отклонение напряжения оказывает влияние прежде всего на работу электродвигателей. Так, при снижении напряжения для той же потребляемой мощности увеличивается ток, что приводит к износу изоляции, а далее – и к снижению срока эксплуатации двигателя. При повышении напряжения сверх номинального параметра возрастает нерациональное потребление любым электроприемником.

Поддерживать отклонение напряжения в пределах нормы согласно ГОСТ обязаны энергоснабжающие организации. Проведенные измерения параметров отклонения напряжения в муниципальных сетях Московской области показывают необходмость контроля этого параметра на центрах питания – объектах ОАО «Мосэнерго». Однако пока необходимого понимания сетевые предприятия энергосистемы не достигли, и технические мероприятия по изменению коэффициента трансформации путем переключения обмоток трансформатора с ПБВ или регулирование под нагрузкой с РПН не обеспечиваются в полной мере.

Научно-технический совет при Управлении «Мособлгосэнергонадзор» подготовил обращение в ОАО «Мосэнерго» по взаимодействию с измерительными лабораториями и обеспечению выдачи необходимых для анализа и расчетов параметров технического состояния энергетического оборудования центров питания Мосэнерго.

Это может помочь создать рациональный режим питания потребителей в конкретной конфигурации электрической сети. К сожалению, по указанию ЦДУ РАО «ЕЭС России» ежегодные отключения с апреля по ноябрь конденсаторных батарей, находящихся у потребителей, не позволяют эффективно использовать это средство регулирования напряжения.

Колебания напряжения происходят в сети, где подключены тяговые подстанции, дуговые сталеплавильные печи, сварочные агрегаты. И если таковых подстанций в области несколько десятков, то из-за неполной загрузки сталеплавильные печи не так часто влияют на режим сети – что очень чувствительно. В сетях, где подключены БКМЗ (Электростальские заводы), к колебаниям напряжения очень чувствительны лампы накаливания и электронные устройства. В связи с этим здесь нарекания бытовых потребителей часты из-за сбоев теле- и радиоприема, связи, бытовой аппаратуры. Конечно, энергоснабжающие организации прежде всего сами должны навести порядок в своих питающих сетях. Вывести на специальные выделенные системы шин таких потребителей. Но это техническое мероприятие требует финансирования, приобретения современного оборудования (это, прежде всего, линейные реакторы, силовые трансформаторы с расщепленной обмоткой и пр.).

Закончим на этом перечисление всех параметров качества электрической энергии.

Следует отметить, что еще в 1997 году в ОАО «Мосэнерго» рассматривалась «Программа работ по нормализации уровней напряжения в электрических сетях 110–500 кВ Мосэнерго, которую совместно разработали с институтом ВНИИЭ и Энергосетьпроект.

В этой программе были представлены мероприятия по анализу состояния оборудования энергосистемы, предлагалось провести обследования с целью использования оборудования для регулирования напряжения, а затем разработать комплекс мероприятий по нормализации уровней напряжения, разработка требований к основным крупным потребителям в части влияния их на качество напряжения в месте присоединения к своим сетям, а также требования к смежным энергосистемам в части перетоков реактивной мощности.

Департамент государственного энергетического надзора и энергосбережения Минэнерго РФ (Госэнергонадзор России) своим письмом от 16 апреля 2001 года № 32-02-04/44 ввел в действие с 1 января 2001 года ЗД-153-34.0-15.501-00 «Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» – часть 1 «Контроль качества электрической энергии». Готовится к выпуску часть 2 «Анализ качества электрической энергии». Работа ведется под руководством специализированного координационного совета Минэнерго РФ. В соответствии с этим письмом руководители всех энергоснабжающих организаций и потребители обязаны применять методические указания.

Обеспечивать необходимые показатели качества электрической энергии – это прежде всего обязанность РАО «ЕЭС России» и его дочерних предприятий. А отсутствие в настоящее время контроля за этими параметрами – прежде всего убытки, никак не учитываемые потребителями электрической энергии, у которых выходит из строя электрооборудование, снижается комфорт в жилье, не обеспечивается надежное электроснабжение с высокими, по ГОСТу 13109-97, параметрами.

На объектах РАО «ЕЭС России» и его дочерних предприятиях находятся в эксплуатации морально устаревшие, работающие зачастую с перегрузкой измерительные трансформаторы тока и напряжения, которые не соответствуют параметрам режима электрической сети. Этот вопрос требует специального внимания.

Литература

1. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Изд-во стандартов, 1998.

2. Белоусов В. Н., Железко Ю. С. Отражение в договорах на электроснабжение вопросов качества электроэнергии и условий потребления и генерации реактивной энергии//Электрические станции. 1999. № 1.

3. Горюнов И. Т., Мозгалев В. С., Дубинский Е. В. и др. Основные принципы построения системы контроля, анализа и управления качеством электроэнергии//Электрические станции. 1998. № 12.

4. Мозгалев В. С., Богданов В. А., Карташев И. И. и др. Оценка эффективности контроля качества электроэнергии в ЭЭС//Электрические станции. 1999. № 1.

5. Карташев И. И., Пономаренко И. С., Ярославский В. Н. Требования к средствам измерения показателей качества электроэнергии//Электричество. 2000. № 4.

6. Сапунов М. Вопросы качества электроэнергии//Новости электротехники. 2001. № 4 (10).

Основные нормативные документы

1. Постановление Госстандарта России от 14 августа 2001 года № 74 «О внесении изменений и дополнений в Номенклатуру продукции и услуг (работ), в отношении которых законодательными актами Российской Федерации предусмотрена их обязательная сертификация».

2. Письмо Госэнергонадзора Министерства энергетики Российской Федерации от 16 апреля 2001 года № 32-02-04/44 «О внесении в действие РД 153-34.0-15.501-00».