Обследование и моделирование электрических сетей АО «Карельский окатыш»

Для АО «Карельский окатыш», находящегося в процессе модернизации и цифровой трансформации, разработана математическая модель электрических сетей, а также даны рекомендации по повышению энергоэффективности предприятия и улучшению качества электроэнергии.

Заказчик: ПАО «Северсталь».

Сроки реализации проекта: 2019 год

Объекты внедрения: электрические сети АО «Карельский окатыш»

  • ПС 220/110 кВ;

  • тринадцать ГПП 110/10/6 кВ

  • более 200 распределительных и трансформаторных подстанций;

  • 200 МВт – потребляемая мощность;

  • 57 км – общая протяженность ЛЭП.

Проектом охвачены электрические сети предприятия, которые делятся на три группы:

– сети электроснабжения карьеров;

– сети электроснабжения дробильно-обогатительной фабрики и фабрики окомкования и обжига;

– сети электроснабжения инженерных систем, вспомогательных производств, коммунальных предприятий г. Костомукша.

Цели и задачи проекта

Основная цель проекта – разработка цифрового двойника электрических сетей АО «Карельский окатыш», который позволит моделировать нормальные и послеаварийные режимы работы электрических сетей.

Для этого решался ряд задач:

  1. Обследование электрических сетей с целью локализации источников реактивной мощности и ухудшения качества электроэнергии;

  2. Формирование единого электронного каталога оборудования и электроприемников электрических сетей; схем нормального режима электрических сетей всех уровней напряжения;

  3. Разработка мероприятий по компенсации реактивной мощности путем наладки существующих устройств компенсации реактивной мощности и синхронных двигателей, а также установке новых.

  4. Разработка рекомендаций по выбору частотно-регулируемых приводов  и установки локальных фильтрокомпенсирующих устройств или замены существующих приводов с целью повышения надежности работы технологического оборудования и улучшения качества электроэнергии.

  5. Рекомендации по созданию перспективной модели развития электросети на 5 и более лет.

Параллельно решалась проблема соответствия электросетей требованиям поставщика электроэнергии – Карельского предприятия МЭС Северо-Запада и Системного оператора.

Презентация доклада v5.02 ГОК.jpg

Для АО «Карельский окатыш», как и для любого другого крупного горно-обогатительного предприятия, выделяют три основных источника искажения формы напряжений и токов сети:

– мощный электротранспорт (карьерная техника, железнодорожный транспорт), являющийся источником резко переменной и несимметрической нагрузки сети;

– асинхронные двигатели с частотно-регулируемым приводом, являющиеся источником искажения синусоидального напряжения;

– асинхронные двигатели без частотно-регулируемого привода, как основные потребители реактивной мощности.

Обследование сетей

На первом этапе выполнения работ инженеры компании «Сумма технологий» провели обследование электрических сетей АО «Карельский окатыш, изучили и собрали воедино:

– схемы нормального режима электрических сетей высокого и среднего напряжения;

– каталог оборудования сетей в объеме паспортных данных силовых трансформаторов, трансформаторов собственных нужд, токоограничивающих реакторов, линий электропередач высокого и среднего напряжения, устройств компенсации реактивной мощности;

– каталог энергоприемников с описанием их типа;

– данные о режимах сети в разные сезоны;

– типовые суточные графики работы энергоприемников;

– данные о качестве электрической энергии в узловых пунктах сети: на шинах ГПП, РП и ТП в объеме, позволяющем оценить амплитуды гармоник напряжения, асимметрию напряжений сети.

Для получения исходных данных по показателям качества электрической энергии провели инструментальное обследование оборудования электрических сетей. Для измерений выбрали около 280 пунктов, включающих:

  • шины главных понизительных подстанций высокого и среднего напряжения;

  • точки подключения синхронных и асинхронных двигателей;

  • устройства компенсации реактивной мощности.

При инструментальном обследовании проводились измерения:

  • осциллограмм токов и напряжений;

  • мгновенных значений токов, напряжений, активной и реактивной мощностей;

  • параметров работы высоковольтных силовых трансформаторов (положения устройств автоматического регулирования напряжения);

  • последовательности фаз на входе устройств управления УКРМ, устройств управления двигателями (выборочно, для верификации показаний приборов АСТУЭ, проверки режима работы устройств).

1b232583_1383637776.jpg

Для каждого из 280 пунктов снимались осциллограммы токов и напряжений, после обработки которых фиксировались:

– линейное напряжение (U);

– активная (P) и реактивная (N) мощности;

– полная и активная мощности гармоник;

– фазный коэффициент мощности (cos φ);

– коэффициент искажения напряжения (THDU) с определением соответствия требованиям ГОСТ 32144-2013;

– коэффициент искажения тока (THDI) с определением соответствия рекомендациям IEEE по влиянию высших гармоник тока на стабильность работы сетей промышленной автоматики и связи;

– коэффициент асимметрии сети;

– уровень напряжения;

– коэффициент искажения тока (THDI) на соответствие рекомендациям IEEE по влиянию высших гармоник тока на стабильность работы сетей промышленной автоматики и связи.

Проводилась сверка оперативных показаний приборов с данными телеизмерений и АСТУЭ.

Приведём несколько наблюдений, выявленных на данном этапе.

В результате обследования было выявлено, что загрузка некоторых силовых трансформаторов электрических сетей АО «Карельский окатыш» низкая. Это приводит к избыточным потерям активной мощности и дополнительному поглощению реактивной мощности.

Отметим, что электроснабжение карьеров отличается значительной удалённостью энергоприемников от электросетевых объектов. Применяемая технология постоянного оперативного наращивания линий увеличивает сопротивление линий за счет переходных сопротивлений контактов. Поэтому инженеры компании «Сумма технологий» предложили использовать мобильные подстанции вместо стационарных РП.

Создание цифрового двойника

Данные, полученные в процессе обследования, легли в основу цифрового двойника электрических сетей АО «Карельский окатыш», созданного с помощью системы моделирования PSS Sincal компании Siemens.

В топологическую модель включены все сети 110 кВ, все сети среднего напряжения и сеть низкого напряжения до уровня шин трансформаторных подстанций дробильно-обогатительной фабрики и фабрики окомкования и обжига. В качестве энергоприемников сети смоделированы двигатели среднего напряжения, электротранспорт среднего напряжения, а также эквивалентные нагрузки сетей низкого напряжения.

В модель оборудования включены высоковольтные силовые трансформаторы, силовые трансформаторы среднего напряжения, трансформаторы собственных нужд, токоограничивающие реакторы, технические данные которых были собраны в процессе обследования и каталогизированы. Также модель использует реальные геометрические конфигурации воздушных и кабельных линий электропередач напряжения.

1 Un-U.PNG

Для верификации созданной модели использовались данные АСТУЭ, АСУТП и собственных измерений.

После разработки и верификации цифрового двойника сети инженеры нашей компании с помощью PSS Sincal рассчитали:

– потери электрической энергии в силовых трансформаторах, линиях электропередач, токоограничивающих реакторах;

– потоки активной и реактивной мощности в сетях, выделение потерь мощности от транспорта реактивной мощности;

– перспективные варианты развития электрических сетей с учетом планов по вводу в эксплуатации новой ГПП и задач по повышению энергетической эффективности предприятия;

– искажения электрической энергии в сетях (гармоники), вызванные искажениями, вносимыми в сеть частотно-регулируемыми приводами асинхронных двигателей.

Результаты работ

АО «Карельский окатыш» получил цифровую модель электрических сетей и расширенный технический отчет, содержащий рекомендации по увеличению энергетической эффективности и надежности функционирования электрической сети.

На основе моделирования текущих режимов, различных сценариев развития сети и выполненных расчетов в среде PSS Sincal выработаны рекомендации по:

  • стандартизации и унификации процедур ведения технического архива службы главного энергетика;

  • повышению эффективности эксплуатации значимых энергоприемников – мощных электродвигателей и частотно-регулируемых преобразователей;

  • использованию фильтрокоменсирующих устройств;

  • обеспечению надежного электроснабжения мощной карьерной техники и железнодорожного транспорта;

  • увеличению надежности работы электрических сетей.

Проведенное в 280 пунктах инструментальное обследование режимов работы электрических сетей выявило в большинстве случаев соответствие действующим техническим регламентам Российской Федерации. Для всех случаев отклонения разработаны рекомендации. Некоторые меры, не требующие капитальных затрат или привлечения сторонних специалистов, реализованы уже в процессе обследования.

Разработаны рекомендации по уменьшению реактивной мощности в сетях 110 кВ и увеличению надежности работы электрических сетей всех классов напряжений, электронной аппаратуры систем управления, автоматики и связи. К ключевым из них можно отнести:

– создание и постоянное обновление электронной документации по электрическим сетям;

– разработка регламентов обслуживания и регулирования мощных синхронных и асинхронных двигателей с целью ограничения потока реактивной мощности на шинах производственных подстанций.

На базе цифрового двойника для диспетчеров создана программа-помощник, позволяющая с учетом текущего режима по данным из АСКУЭ и АСУТП определять оптимальные схемы переключений.

Помимо формирования моделей и выполнения необходимых расчетов, использование программного комплекса PSS Sincal позволило сформировать единый унифицированный электронный каталог оборудования электрических сетей, энергоприемников и схем нормального режима электрических сетей, а также обеспечить удобный интерфейс поддержания его в актуальном состоянии по мере ввода новых участков электрических сетей, новых энергоприемников и завершения работ по ремонту оборудования.