ПАУЛИ В. К. Д.т.н., к.э.н., профессор
Передача электрической энергии от генераторов к потребителям является сложным физическим процессом многократного преобразования энергии и требует наличия в процессе этого преобразования различных форм поддержания электрических и магнитных полей, а следовательно, наличия как активной, так и реактивной составляющих мощности передачи (преобразования). Выработка реактивной мощности не требует непосредственного расхода топлива, но ее передача по сети вызывает затраты активной энергии в виде потерь электрической энергии и дополнительно загружают элементы электрической сети, снижая их общую пропускную способность. В связи с этим увеличение выдачи реактивной мощности генераторами с целью доставки ее потребителю нецелесообразно.
Наиболее целесообразна система распределенной компенсации реактивной мощности в точках преобразования энергии, включая объекты потребления электроэнергии. Компенсация реактивной мощности - одно из наиболее эффективных средств рационального использования электроэнергии.
Рисунок 1 демонстрирует эффект компенсации реактивной мощности, осуществленной непосредственно у нагрузки. В первом случае величина полной подводимой (поставляемой из сети) мощности и величина потребляемой энергоприемником мощности равны, во втором случае требуется меньшая величина подводимой мощности, так как реактивная составляющая скомпенсирована местной установкой.
В большинстве практических случаев просматривается техническая и экономическая целесообразность полной или близкой к ней компенсации реактивной мощности с регулированием по основному параметру - реактивной мощности. Такое регулирование, как правило, совпадает с регулированием по напряжению. Возможные источники компенсации реактивной мощности:
синхронные компенсаторы; синхронные двигатели, работающие в режиме перевозбуждения;
статические тиристорные компенсаторы и др.
Выбор и размещение устройств компенсации реактивной мощности в электрических сетях производятся исходя из необходимости обеспечения требуемой пропускной способности сети в нормальных и послеаварийных режимах при поддержании необходимых уровней напряжения и запасов устойчивости нагрузки потребителей.
Наиболее оптимальное решение - компенсация реактивной мощности потребителями. Уменьшение потерь активной электроэнергии, обусловленных перетоками реактивных мощностей, является реальной эксплуатационной технологией энергосбережения в электрических сетях и технологией повышения эффективности использования электроэнергии (мощности) у потребителей.
Эффективное экономическое регулирование реактивной мощности направлено также на обеспечение качества электрической энергии (уровня напряжения) на границе: электрическая сеть общего пользования - электрическая сеть (электроустановки) потребителей. Данный параметр - один из главных показателей качества электрической энергии, установленных ГОСТ 13109-97 (Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах энергоснабжения общего назначения). В соответствии с данным стандартом отклонение напряжения характеризуется показателем установившегося отклонения напряжения со следующими нормами:
нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения на выводах приемников электрической энергии равны соответственно ±5 и ±10 % от номинального напряжения электрической сети по ГОСТ 721-77 и ГОСТ 21128-83 (номинальное напряжение);
нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения в точках общего присоединения потребителей электрической энергии к электрическим сетям напряжением 0,38 кВ и более должны быть установлены в договорах на пользование электрической энергией между энергоснабжающей организацией и потребителем с учетом необходимости выполнения норм настоящего стандарта на выводах приемников электрической энергии.
Экономические интересы как сетевых предприятий, так и предприятий-потребителей в настоящее время требуют особого внимания к компенсации реактивной мощности посредством компенсирующих устройств. Это и надежность электроснабжения потребителей, и надежность электрических сетей и энергосистем. Компенсация реактивной мощности - одно из наиболее доступных, эффективных и простых способов энергосбережения как для потребителя, так и для электросетевой компании, а также снижения себестоимости выпускаемой потребителями продукции. Это, в общем и целом, и понималось и обеспечивалось, в первую очередь благодаря действовавшим нормативам.
Однако начало перехода электроэнергетики России на путь конкурентных рыночных отношений повлекло за собой изменение нормативной базы в сфере энергетики. Как показало время, в некоторых случаях это оказалось не совсем оправданно. После отмены приказом Минэнерго России от 10.01.2000 № 2 «Правил пользования электрической и тепловой энергией» потребители электрической энергии перестали участвовать в поддержании коэффициента мощности и компенсации реактивной мощности на шинах нагрузок (из баланса ЕЭС России выпало свыше 50 тыс. МВАр устройств компенсации реактивной мощности потребителей). Поторопились и отменили важную функцию потребителей электрической энергии в обеспечении устойчивости работы энергосистем за счет поддержания напряжения в узлах и на шинах нагрузок и компенсации реактивной мощности далеко до ввода замещающего механизма - рыночного!
Достаточно наглядно все вышеуказанные недостатки проявились и привели к аварии в энергосистемах Москвы, Московской и Калужской областей, происшедшей 25 мая 2005 года. Этому, безусловно, способствовало наличие также и ряда других недостатков, но при надлежащей компенсации реактивной мощности потребителями не было бы снижения напряжения и перегрузки линий электропередачи и, соответственно, не были бы созданы условия для аварии. Если бы реактивная мощность у потребителей Московской энергосистемы была скомпенсирована, майской аварии 2005 года могло бы и не быть. Скорее всего, ее и не было бы, потому что не было бы такой загрузки реактивной мощностью и, соответственно, дополнительного провиса отключившихся линий электропередачи, напряжение в узлах нагрузок было бы выше, генераторы не перегрузились бы из-за форсировки возбуждения с целью увеличения выдачи реактивной мощности, так как она не потребовалась бы, а значит, хватило бы времени на загрузку пускаемого оборудования и т.д.
Промышленные потребители с отменой вышеуказанного документа потеряли экономический стимул на обеспечение ими tg ф (cos ф) своей нагрузки в заданных пределах. Это привело к:
возрастанию потоков реактивной мощности в линиях электропередачи межсистемных и системообразующих электрических сетей и систем электроснабжения потребителей - распределительных электрических сетей;
возникновению дефицита реактивной мощности в узлах нагрузки и, как следствие, снижению напряжения на шинах нагрузок и подстанций распределительных электрических сетей и снижению запаса статической устойчивости нагрузки по напряжению;
увеличению до предельно допустимых значений токов полной нагрузки линий электропередачи и трансформаторных подстанций и ограничению их пропускной способности по активной мощности из-за необоснованной их загрузки реактивной мощностью.
Возрастание потоков реактивной мощности в системообразующих и распределительных сетях происходит также из-за несоответствия схемнорежимных решений изменениям структуры потребления и стихийно складывающемуся распределению прирастающей нагрузки по системе электроснабжения - распределительной электрической сети без учета потребления реактивной мощности присоединяемыми или наращивающими мощности потребителями электрической энергии. За последнее десятилетие структура потребления сильно изменилась, доля индуктивной нагрузки возросла, что особенно заметно в городских сетях.
Несмотря на то, что на выработку реактивной мощности активная мощность, а следовательно и топливо, непосредственно не расходуется, ее передача по сети вызывает затраты активной энергии, которые покрываются активной энергией генераторов (за счет дополнительного расхода топлива). Кроме того, передача реактивной мощности загружает электрические сети и установленное в ней оборудование, отнимая некоторую часть их пропускной способности. Негативный результат от вышеуказанных недостатков проявляется также в следующем:
нарастает число случаев отключения потребителей и увеличиваются размеры отключаемых нагрузок защитами при снижении напряжения во время коротких замыканий в электрических сетях и циклов (режимов) АПВ или АВР в электрических сетях, что говорит о не- достаточной устойчивости нагрузки к внешним возмущениям в связи с отсутствием запаса по напряжению на шинах присоединения;
во многих регионах страны энергосистемы имеют ряд своих энергорайонов с весьма высокой вероятностью введения в действие в максимумы нагрузок графиков аварийного отключения потребителей из-за перегрузки линий электропередачи и трансформаторно- го оборудования подстанций как распределительных электросетевых компаний, так и под- станций единой национальной электрической сети (ЕНЭС), в том числе и необоснованными потоками реактивной мощности;
преждевременный дефицит активной мощности в ряде узлов и в целых регионах из-за существенного роста потерь активной мощности в электрических сетях и предельной загрузки линий электропередачи избыточными потоками реактивной мощности не только ухудшили технико-экономическую эффективность электросетевого бизнеса, но и привели к сдерживанию присоединения новых потребителей или увеличению мощности присоединенных.
Указанные выше обстоятельства также являются одной из причин сдерживания присоединения к действующим системам электроснабжения новых потребителей или препятствуют увеличению присоединенной мощности потребителей, расширяющих производство и наращивающих производственные мощности из-за неоправданной (технически и экономически) дополнительной загруженности линий электропередачи и трансформаторных подстанций и распределительных пунктов потоками реактивной мощности, поставляемой потребителям от генераторов электростанций. Как и почему это происходит, наглядно демонстрируют формулы, приведенные на рисунке 2.
По указанным на рисунке 2 причинам увеличивать реактивную мощность, выдаваемую генераторами (с целью доставки к потребителю), нецелесообразно, а производить и выдавать реактивную мощность нужно именно там, где она больше всего нужна. Практика такого производства широко распространена во всем мире и известна под термином «компенсация реактивной мощности». Компенсация реактивной мощности - одно из наиболее эффективных средств рационального использования электроэнергии. При этом необходимо исходить из того, что не существует задачи поставки реактивной мощности потребителю (за исключением бытовых потребителей - населения). Это демонстрирует схема, приведенная на рисунке 3. 
В недавнем историческом прошлом при проектировании электроэнергетических систем брались реальные значения tg , которые принимались: для шин напряжением 6-10 кВ понижающих подстанций tg ср = 0,4 (соэф = 0,93), для шин 35, 110 и 220 кВ - соответственно 0,5; 0,55 и 0,6 (соs ф = 0,9; 0,88; 0,86), что действительно так и было, потому что промышленные потребители в то время были обязаны выдерживать нормативные значения устанавливаемых соs ф. К тому же до 2000 года действовала система скидок/надбавок к плате за электроэнергию в зависимости от фактического соs ф, что стимулировало потребителей снижать потребление реактивной мощности из энергосистемы. Поэтому необходимая по техническим соображениям реактивная мощность составляла в то время 0,4-0,6 квар на 1 кВт суммарной активной нагрузки.
В современных же условиях для сетей с номинальным напряжением 35 кВ и выше общее потребление реактивной мощности Qп приближенно оценивается в размере 1 кВар на 1 кВт суммарной активной нагрузки РнЕ. При этом доля потерь реактивной мощности составляет 30-50 % в зависимости от характеристик потребителей, числа ступеней трансформации и протяженности сетей.
В связи с этим возникает необходимость установки в энергосистемах дополнительных (в узлах нагрузок или непосредственно у промышленных потребителей) источников реактивной мощности, которые обеспечили бы компенсацию избыточной реактивной нагрузки энергосистем. Вместе с тем удовлетворение баланса реактивной мощности лишь по условиям надежности не отвечает критерию максимальной экономической эффективности функционирования электроэнергетических систем. Экономически целесообразная мощность компенсирующих устройств, как правило, превышает их мощность, необходимую по техническим ограничениям.
При этом установка устройств компенсации реактивной мощности непосредственно у потребителя улучшает технико экономические показатели системы электроснабжения, так как при этом уменьшаются потоки реактивной мощности во всех элементах сети от источников питания до потребителей. Это, в свою очередь, приводит к снижению потерь электроэнергии и, следовательно, к уменьшению затрат на их возмещение в структуре баланса, что наглядно демонстрирует приведенный на рисунке 4 пример расчета компенсации реактивной мощности.
Нормализация напряжения в распределительных сетях - это не только взаимосвязь процессов повышения надежности и социального имиджа электросетевых копаний, но и повышение технико-экономической эффективности бизнеса. Из-за массовости распределительных сетей потери в них составляют большую долю суммарных потерь в энергосистемах и ЕЭС России в целом, поэтому даже небольшое снижение потерь дает ощутимый экономический эффект.
Существует перечень действующих документов, так или иначе регламентирующих соотношения активной и реактивной мощностей (коэффициент мощности) в различных сетях: «Инструкция по проектированию городских электрических сетей» (РД 34.20.185-94 или СО 153-34.20.185-94), «Методические указания по проектированию развития энергосистем» (СО 153-34.20.118-2003), «Указания по выбору средств регулирования напряжения и компенсации реактивной мощности при проектировании электроснабжения сельскохозяйственных объектов и электрических сетей сельскохозяйственного назначения» (РД 34.20.112 или СО 153-34.20.112). Согласно этим документам для потребителей на напряжении 6-10 кВ коэффициент реактивной мощности должен быть не выше tg ф = 0,4. Мы же сегодня наблюдаем массово у потребителей tg ф от 0,8 до значений, намного превышающих 1,0.
Поэтому явно назрела задача по нормализации потоков реактивной мощности и напряжения, в которую должны быть вовлечены все субъекты баланса реактивной мощности, и в первую очередь - потребители. Первые шаги в данном направлении благодаря предпринятым ОАО РАО «ЕЭС России» мерам начинают осуществляться - вышло постановление Правительства РФ от 31.08.2006 № 530 «Об утверждении правил розничного рынка электроэнергии и мощности и порядка ограничения потребителей». Указанным постановлением утверждены изменения «Правил не дискриминационного доступа к услугам по передаче электрической энергии и оказания этих услуг» (утвержденные ранее постановлением Правительства Российской Федерации от 27 декабря 2004 года № 861), согласно которым:
а) потребители услуг - покупатели электрической энергии должны соблюдать значения соотношения потребления активной и реактивной мощности, определенной в договоре в соответствии с порядком, утвержденным Минпромэнерго России;
б) в случае несоблюдения потребителем услуг, установленных договором значений соотношения потребления активной и реактивной мощности, кроме случаев, когда это явилось следствием выполнения диспетчерских команд или распоряжений субъекта оперативно-диспетчерского управления либо осуществлялось по соглашению сторон, он устанавливает и обслуживает устройства, обеспечивающие регулирование реактивной мощности, либо оплачивает услуги по передаче электрической энергии, в том числе в составе конечного тарифа (цены) на электрическую энергию, поставляемую ему по договору электроснабжения, с учетом соответствующего повышающего коэффициента.
в) при участии в регулировании реактивной мощности по согласованию с сетевой организацией при улучшении заданных значений tg ф потребитель оплачивает услуги по передаче электрической энергии, в том числе в составе конечного тарифа (цены) на электрическую энергию, поставляемую ему по договору энергоснабжения с учетом понижающего коэффициента, устанавливаемого в соответствии с методическими указаниями, утверждаемыми федеральным органом исполнительной власти по тарифам - ФСТ.
Согласно постановлению разработан и утвержден приказом министра промышленности и энергетики Российской Федерации от 22 февраля 2007 года № 49 «Порядок расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энерго-принимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон в договорах об оказании услуг по передаче электрической энергии (договорах электроснабжения)» (далее - «Порядокрасчета...»), который 22 марта 2007 года зарегистрирован Министерством юстиции Российской Федерации (регистрационный № 9134).
«Порядок расчета...» разработан в соответствии с:
а) пунктом 4 Постановления Правительства Российской Федерации от 31 августа 2006 года № 530 «Об утверждении правил функционирования розничных рынков электрической энергии в переходный период реформирования электроэнергетики»;
б) утвержденными Постановлением Правительства Российской Федерации от 31 августа 2006 года № 530 изменениями пункта 14.1 «Правил не дискриминационного доступа к услугам по передаче электрической энергии и оказания этих услуг», утвержденных Постановлением Правительства Российской Федерации от 27 декабря 2004 года № 861.
«Порядок расчета.» устанавливает требования к расчету значений соотношения потребления активной и реактивной мощности, определяемых при заключении договоров об оказании услуг по передаче электрической энергии (договоров электроснабжения) в отношении потребителей электрической энергии, присоединенная мощность которых более 150 кВт (за исключением граждан потребителей, использующих электрическую энергию для бытового потребления, и приравненных к ним в соответствии с нормативными правовыми актами в области государственного регулирования тарифов групп (категорий) потребителей (покупателей), в том числе многоквартирных домов, садоводческих, огороднических, дачных и прочих некоммерческих объединений граждан).
Согласно «Порядку расчета...» значения соотношения потребления активной и реактивной мощностей (tg ф) определяются в виде предельных значений коэффициента реактивной мощности, потребляемой в часы больших суточных нагрузок электрической сети, соблюдение которых обеспечивается покупателями электрической энергии (мощности) - потребителями услуг по передаче электрической энергии посредством соблюдения режимов потребления электрической энергии (мощности) либо использования устройств компенсации реактивной мощности. При этом значение коэффициента реактивной мощности, генерируемой в часы малых суточных нагрузок электрической сети, устанавливается равным нулю. В случае участия потребителя по соглашению с сетевой организацией в регулировании реактивной мощности в часы больших и (или) малых нагрузок электрической сети, в договоре электроснабжения определяются также диапазоны значений коэффициентов реактивной мощности, устанавливаемые отдельно для часов больших (tg фб) и/или малых (tg фм) нагрузок электрической сети и применяемые в периоды участия потребителя в регулировании реактивной мощности.
Указанные характеристики в соответствии с «Правилами не дискриминационного доступа к услугам по передаче электрической энергии и оказания этих услуг», утвержденные ранее постановлением Правительства Российской Федерации от 27 декабря 2004 года № 861 (с изменениями и дополнениями в редакции постановления Правительства РФ от 31.08.2006 № 530 «Об утверждении правил розничного рынка электроэнергии и мощности и порядка ограничения потребителей»), определяются:
сетевой организацией для потребителей, присоединенных к сетям напряжением 35 кВ и ниже;
сетевой организацией совместно с соответствующим субъектом оперативно-диспетчерского управления для потребителей, присоединенных к сетям напряжением выше 35 кВ.
«Порядок расчета.» уточняет, что для потребителей, присоединенных к сетям напряжением 220 кВ и выше, а также к сетям 110 кВ (154 кВ) в случаях, когда они оказывают существенное влияние на электроэнергетические режимы работы энергосистем (энергорайонов, энергоузлов), предельное значение коэффициента реактивной мощности, потребляемой в часы больших суточных нагрузок электрической сети (tg ф б), а также диапазоны значений реактивной мощности, применяемые в периоды участия потребителя в регулировании реактивной мощности, определяют на основе расчетов режимов электрической сети в указанные периоды, выполняемых как для нормальной, так и для ремонтной схем сети.
«Порядок расчета.» устанавливает предельные значения коэффициента реактивной мощности, потребляемой в часы больших суточных нагрузок электрической сети, для потребителей, присоединенных к сетям напряжением ниже 220 кВ (таблица 1).
Потребители должны соблюдать указанные в таблице 1 предельные значения коэффициентов реактивной мощности, кроме случаев, когда несоблюдение указанных значений явилось следствием выполнения диспетчерских команд или распоряжений субъекта оперативно-диспетчерского управления либо осуществлялось по соглашению сторон в случае привлечения потребителя к участию в регулировании реактивной мощности.
«Порядок расчета.» не содержит значений понижающих и повышающих коэффициентов к стоимости услуг по передаче электрической энергии. Данные коэффициенты определяются в соответствии с методическими указаниями, утверждаемыми федеральным органом исполнительной власти по тарифам - ФСТ России.
ВЫВОДЫ
1. Уменьшение в распределительных сетях балластных потоков реактивной мощности за счет ее компенсации у потребителя или на конечных подстанциях электросетевых компаний:
позволит (при наличии в энергоузлах тех же объемов активной мощности и той же пропускной способности сетей) снабжать дополнительных потребителей. А это обеспечит в определенной степени прирост потребления активной мощности без увеличения ее вырабатывания в узле (регионе) или без увеличения ее перетока из других энергосистем;
позволит самому потребителю прирастить свои производственные мощности без увеличения потребления из сети;
позволит присоединить потребителя там, где ранее было отказано, или там, где компенсация реактивной мощности позволит это сделать;
улучшит техникоэкономическую эффективность систем электроснабжения как электросетевых компаний, так и самих потребителей;
повысит устойчивость электроэнергетических систем, систем электроснабжения и на- грузки потребителей при снижении и провалах напряжения в сети.
2. Снижение в электрических сетях потерь активной мощности, вызванных потоками ре- активной мощности, разгрузка линий электропередачи и трансформаторного оборудования существенно отодвинут момент наступления дефицита электрической энергии, а возможно, даже и не допустят его. Будет поддержан ресурс мощности ЕЭС России до момента ввода новых генерирующих мощностей - процесс, который уже начал широкомасштабно разворачиваться после завершения структурной фазы реформирования отрасли.
