Технико-экономическое обоснование применения распределенной сети постоянного тока для модернизации распределительных сетей 0,4 кВ

Вводные данные

При модернизации распределительных сетей 0,4кВ, стоит ряд задач которые необходимо решить:

•  Увеличение пропускной способности кабельных линий.
•  Увеличение мощности ТП, для обеспечения дополнительной мощностью текущих и перспективных потребителей.
•  Улучшить качество поставляемой электроэнергии в соответствии с ГОСТ.
•  Предотвратить кражу электроэнергии, а так же несанкционированные подсоединения.
•  В случае определения квот потребления электроэнергии или неплатежей, ограничить потребление электроэнергии посредством снижения выделенной мощности. Иметь возможность удаленно контролировать потребителя, осуществлять удаленный сбор данных о потреблении.
•  Повысить энергоэффективность потребителей с низким коэффициентом мощности (маленький cos ϕ), полностью убрать реактивные потери.
•  Иметь возможность быстрого и простого монтажа, а так же поэтапного наращивания при необходимости.
•  Обеспечить бесперебойность электроснабжения на случай поломок или профилактических работ на линии.
•  Иметь перспективы подключения возобновляемых источников энергии, накопления электроэнергии, при необходимости перераспределения между потребителями или возврата в магистральную сеть.

Реконструкция ВЛ-0,4кВ-1 650

Сводные данные по окупаемости

Общее описание

Принцип работы распределенной сети постоянного тока заключается в том, что вся входящая электроэнергия с трансформаторной подстанции 0,4кВ, преобразуется в ток постоянного напряжения 550В. В таком виде, ток накапливается в Литий-ионных АКБ в период, когда электрические мощности недогружены потребителем. А в период пика, накопленная электроэнергия отдаётся потребителю, компенсируя пики потребления без перегрузки ПТ. Преобразование тока постоянного напряжения, в переменное (220В или 380В), происходит с помощью инвертора непосредственно у потребителя – в точке потребления. Мощность инвертора может быть практически любая, тем самым мы имеем фактически локальную генерацию мощности по требованию.

Наша технология позволяет компенсировать пики потребления до 300%-500% от мощности ТП. Такое значительное увеличение мощности без перекладки кабелей и замены ПТ, стало возможно благодаря современным запатентованным преобразователям напряжения (выпрямители, инверторы) со сверхвысоким КПД, а так же использованию высокоёмких Литий-ионных аккумуляторов, которые имеют возможность заряжаться с большой скоростью, а разряжаться в 5 раз быстрее, за счёт чего и идёт увеличение мощности (токов). А передавать всю эту мощность по текущим сетям (проводам) стало возможно потому, что передаётся ток ПОСТОЯННОГО напряжения!

Все преобразователи полностью гальванически развязаны, а все потребители разделены. Таким образом любые помехи или гармоники выбрасываемые любым потребителем, остаются только в рамках подключения данного потребителя, и никак не влияют на остальную сеть или потребителей.

Сравнения

Увеличение пропускной способности кабельных линий

Сеть постоянного тока не требует перекладки как воздушных так и изолированных кабелей, что особенно актуально в городах. В стандартной 4х проводной схеме, используется по 2 проводника на каждый полюс + и -. Напряжение 550В, полностью соответствует изоляции кабелей, которая рассчитана на 600В. Все изоляторы, клеммы и даже измерительные приборы не требуют замены, так как напряжение 550В находится в рамках эксплуатационных характеристик распределительных сетей 0,4кВ.

Постоянный ток не подвержен поверхностному эффекту (скин-эффекту), т.е. сечение проводника используется полностью. Следовательно, при одном и том же сечении проводника на постоянном токе можно передать больше мощности.

При поднятии напряжения до 550В, и переходе на постоянный ток, пропускная способность кабельных линий увеличивается минимум в 2-3 раза.

При необходимости более значительно увеличить пропускную способность, достаточно расположить аккумуляторную емкость на расстоянии от ТП, например по середине трассы, таким образом при пике потребления, токи будут идти не от ТП а от АКБ, что позволит дополнительно увеличить пропускную способность или удлинить трассу.

Увеличение мощности ТП, для обеспечения дополнительной мощностью текущих и перспективных потребителей

Сеть постоянного тока не требует замены ТП на более мощную. Так как компенсация пиковых токов происходит за счет электроэнергии накопленной в АКБ. Для гражданских потребителей в среднем возможно увеличение мощности ТП за счёт АКБ в 5-7 раз. Что позволит увеличить мощность существующим потребителям и подключить новых.

Выпрямительный блок сети, который преобразует ток переменного напряжения в постоянное, имеет коэффициент мощности 0,999 (cos ϕ 0,999) и кпд 98.7%. При этом нагрузку которую он даёт на трансформатор абсолютно симметричная.

Полная управляемость выпрямительных модулей позволяет регулировать их мощность, что при необходимости позволит снизить или увеличить нагрузку на магистральные сети, например что бы быстро накопить избыток электроэнергии, или наоборот снизить потребление, для перетока дополнительной мощности в случае стратегической необходимости. При этом все манипуляции остаются незаметны для потребителя так как энергия компенсируется из АКБ. 

Улучшить качество поставляемой электроэнергии в соответствии с ГОСТ

Так как переменный ток генерируется инвертором локально у потребителя, в сетях постоянного тока, каждый потребитель получает идеальную (чистую) энергию, а помехи и просадки генерируемые потребителями, не распространяются на всю сеть. Так как инвертор имеет широкий диапазон входного напряжения, то Потребитель получит стабилизированное напряжение в соответствии с ГОСТ. При этом можно четко регламентировать каким потребителям устанавливать 1 или 3х фазный инвертор. В случае с 3х фазным инвертором, возможность перекоса фаз составляет до 100% без последствий.

Предотвратить кражу электроэнергии, а так же несанкционированные подсоединения

Так как электроэнергия передаётся постоянным током 550В, а все электроприборы рассчитаны на переменный, то организовать несанкционированный отбор электроэнергии возможно только при наличии инвертора. Номинал 550В был выбран не только для повышения пропускной способности, но так же потому, что на рынке на данный момент не представлены инверторы работающие в данном номинале напряжения. Что создаёт очень большие технические преграды для несанкционированного отбора электроэнергии. Более того, система имеет возможность промежуточной установки шунтов в кабельных линиях, которые в автоматическом режиме ведут подсчет потребленной энергии в данном сегменте линии, а так как все потребители известны (каждый инвертор регистрируется в сети автоматически), то легко вычислить, где происходит несанкционированный отбор - что очень маловероятно за отсутствием надлежащего оборудования.

В случае определения квот потребления электроэнергии или неплатежей, ограничить потребление электроэнергии посредством снижения выделенной мощности. Иметь возможность удаленно контролировать потребителя, осуществлять удаленный сбор данных о потреблении

Инверторы (преобразователи) которые генерируют переменный ток у потребителя, являются управляемыми приборами, а это значит, что владелец сетей получает полный контроль над каждым потребителем, где возможно контролировать не только количество потребляемой энергии, но и мощность. Например при неплатеже за электроэнергию, в рамках действующего законодательства, нельзя отключать потребителя, но возможно ограничить предоставление услуги. Система может в автоматическом режиме, занижать выдаваемую мощность инвертором до минимальной, что ограничит потребителя но не отключит от услуги. Учет потребления электроэнергии может вестись традиционными средствами учета в точке генерации, или непосредственно самим инвертором и автоматически передаваться в управляющий центр

Система позволяет контролировать как по отдельности, так и коллективно абсолютно любые параметры электроснабжения, от выдаваемой мощности конкретному потребителю, до регулирования потребления целого района, что позволяет управлять сетью в рамках разных сценариев, например при необходимости ограничивая электроснабжение менее приоритетных потребителей – например в случае ремонта или необходимости сокращения потребления электроэнергии.

Программное обеспечение управления сетью, возможно полностью интегрировать с любыми базами данных и системами автоматизации, при этом нет необходимости прокладывать трассы передачи данных, все данные передаются по силовому кабелю посредством PLC.

Повысить энергоэффективность потребителей с низким коэффициентом мощности (низкий cos ϕ), полностью убрать реактивные потери.

Энергосберегающие технологии, станут действительно энергосберегающими. В любом современном приборе, в том числе энергосберегающем - например светодиодной лампе, стоит выпрямитель, который имеет низкий коэффициент мощности, это значит, что сам прибор в количественном виде потребляет электроэнергии меньше, но при этом ему требуется больше мощности, которую тоже нужно передать, от которой идут реактивные потери на ТП, что сводит все энергосбережение к нулю. В нашей системе, реактивных потерь нет, независимо от потребителя.

Коэффициент мощности сети постоянного тока составляет 100% (CosΦ = 1), это достигается посредством наличия корректоров коэффициента мощности в преобразователях, как в инверторах, так и в выпрямителях которые и являются первичной нагрузкой на ТП. За счет этого полностью исчезают реактивные потери, которые в сетях переменного тока составляет в среднем 10%.

Для электросетей, распределительная сеть постоянного тока, будет потребителем в виде линейной, абсолютно симметричной нагрузки на трансформатор, в пределах его номинальной мощности.

Иметь возможность быстрого и простого монтажа, а так же поэтапного наращивания при необходимости

Распределительная сеть построена по модульной схеме. Это значит, что работу по преобразованию выполняет ни один мощный прибор, а целый кластер маломощных приборов. Это даёт совершенно новый уровень надежности и расширяемости. Для ввода сети в эксплуатацию, достаточно установить выпрямительный модуль и небольшую АКБ, а так же повесить инверторы у потребителей. При этом нет ни земляных ни кабельных работ. Средний срок модернизации на постоянный ток составляет 1-2 месяца, от момента заказа оборудования до ввода в эксплуатацию.

Дальнейшее расширение и ввод новых мощностей, сводится только к установке инвертора, и при необходимости добавления АКБ, что составляет 1-2 недели. Постепенная и простая расширяемость значительно снижает первичные затраты.

Оборудование применяемое в данных сетях имеет герметичную вандалоустойчивую конструкцию, может монтироваться вне помещений, и самое главное для монтажа не требуются квалифицированные специалисты, любой электрик сможет как подключить так и поменять преобразователь. Все преобразователи имеют горячую замену, таким образом весь ремонт сводится просто к замене модуля, при этом потребитель даже ничего не заметит.

Обеспечение бесперебойности электроснабжения на случай поломок или профилактических работ на линии

Так как в сети постоянного тока присутствуют АКБ, то вся сеть автоматически имеет энергетический резерв на случай аварии или профилактических работ. Более того, так как все потребители управляемые, то возможно ограничивать их потребление на момент отключения, тем самым обеспечивая более долгий расход электроэнергии.

Более того, возможно организовывать бесперебойное электроснабжение для специализированных учреждений, где на момент отключения, выдаваемые мощности занижаться не будут. Так же возможно извлекать дополнительный доход, например предоставляя абонентам услугу дополнительной ёмкости ИБП, за которую можно брать ежемесячную плату. Услуга будет выглядеть как предоставление определенной емкости АКБ на случай отключения электроснабжения, и пока эта ёмкость не выбрана, мощность потребителя не занижается.

Иметь перспективы подключения возобновляемых источников энергии, накопления электроэнергии, при необходимости перераспределения между потребителями или возврата в магистральную сеть

Наличие постоянного тока, делает возможным подключение возобновляемых источников электроэнергии прямо в сеть, потому что не требуется синхронизация синуса. Накопление электроэнергии будет происходить на местной АКБ, откуда будет раздаваться остальным потребителям или направляться в сеть. Стоимость подключения например солнечных батарей снизится в разы, так как АКБ, система заряда и инверторы уже присутствуют в сети, тем самым делая возобновляемую энергетику более привлекательной и дешевой для потребителя.

Сравнительная таблица модернизации распределительных сетей 0,4 кВ

Дополнительные преимущества:

• При внедрении данной технологии, легко реализуется программа Минэнерго по применению социальной нормы потребления электроэнергии.
• Повышение надежности электроснабжения потребителей, снижение числа отключений. Данный показатель влияет на показатели эффективности предприятия.
• Применяемое оборудование является не обслуживаемым, ремонт в случае поломки занимает 5 минут – замена модуля. Что соответствует единой технической политике.
• Данная технология позволяет в автоматическом режиме проводить учет потребления электроэнергии, что снижает общие издержки, повышает уровень управляемости предприятия, снижает потери из за неплатежей.
• Увеличивается эффективность инновационной деятельности.
• От внедрения данной технологии, увеличивается локальная мощность ТП на 100%, при этом высвобождается 30% от мощности ПТ на магистральной подстанции, что позволяет снизить затраты на введение дополнительных мощностей и модернизацию в сегменте 110 кВ.
• Снизятся общие потери в сетях на 75%-85%.
• Увеличится инвестиционная привлекательность, что снизит расходы на обслуживание долговой нагрузки, увеличит биржевые котировки.
• Возможно монетизация данной технологии, посредством предложения потребителям страховки на случай аварии. В виде абонентской платы за резерв аккумуляторной ёмкости.