4. Περιγραφή και αιτιολόγηση του επιπλέον εξοπλισμού που χρειάστηκε.

Transcript

1 ΗΜΥ 442 και ΗΜΥ 680 Ανάλυση Συστημάτων Ηλεκτρικής Ισχύος Χειμερινό Εξάμηνο 2008 Σχεδιασμός και ανάλυση συστήματος μεταφοράς Ημερομηνία Παραδόσεως Εργασίας: Δευτέρα, 8/12/08 Α. Ορισμός προβλήματος Έχετε στη διάθεση σας 110 εκατομμύρια ευρώ για να σχεδιάσετε, μοντελοποιήσετε και βελτιώσετε το σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας που φαίνεται στο Σχεδιάγραμμα 1. Το σύστημα σας πρέπει να σχεδιαστεί χρησιμοποιώντας το λογισμικό PowerWorld και να πληροί συγκεκριμένες λειτουργικές προϋποθέσεις. Στο Σχεδιάγραμμα 1 υπάρχουν ήδη σχεδιασμένες οι γραμμές μεταφοράς και οι μετασχηματιστές του συστήματος, χωρίς να αναφέρεται το είδος τους. Στο Τμήμα Β υπάρχουν τα χαρακτηριστικά τριών διαφορετικών γραμμών μεταφοράς και τεσσάρων διαφορετικών μετασχηματιστών που μπορείτε να επιλέξετε για τα υπάρχοντα στοιχεία του συστήματος αλλά και για τα επιπλέον στοιχεία που πιθανό να προσθέσετε. Υπάρχουν επίσης οι πιθανές επιλογές για εγκάρσιους πυκνωτές και εγκάρσιες επαγωγικές αντιστάσεις. Στο ποσό που σας δίνετε πρέπει να προσμετρήσετε όλα τα στοιχεία του συστήματος για τα οποία σας δίνονται τιμές, ακόμα και γι αυτά που ήδη φαίνονται στο Σχεδιάγραμμα 1. Τα υπόλοιπα χαρακτηριστικά του συστήματος δίνονται στο Τμήμα Γ. Οι προδιαγραφές και τα λειτουργικά κριτήρια του τελικού συστήματος δίνονται στο Τμήμα Δ. Τα λειτουργικά κόστη και τα κόστη του εξοπλισμού δίνονται στο Τμήμα Ε. Χρησιμοποιήστε ως τιμή βάσης για την ισχύ 100 MVA και τιμές βάσης για την τάση τις αντίστοιχες τάσεις που θα επιλέξετε ανάλογα με την περιοχή. Πέραν της ικανοποίησης των λειτουργικών κριτηρίων και του προϋπολογισμού, ο στόχος σας είναι και η οικονομικότερη δυνατή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η τελική σας (δακτυλογραφημένη) αναφορά πρέπει να περιέχει τα ακόλουθα: 1. (α) Υπολογισμούς για παραμέτρους μετασχηματιστών και γραμμών μεταφοράς (β) Διάγραμμα εμπεδήσεων (impedance diagram) για το τελικό σύστημα. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε χειρόγραφο σχεδιάγραμμα αντίστοιχο του συστήματος όπως φαίνεται στο Σχεδιάγραμμα Υπολογισμούς για το μέγεθος της αντιστάθμισης σε σειρά (series compensation sizing). Αναφέρεται την τιμή της ολικής αντιστάθμισης που χρειάζεται να προστεθεί σε κάθε γραμμή σε ανά μονάδα. 4. Περιγραφή και αιτιολόγηση του επιπλέον εξοπλισμού που χρειάστηκε. 5. Διαγράμματα ροής ισχύος για τις ακόλουθες περιπτώσεις: (i) Υψηλά φορτία, όλες οι γραμμές σε λειτουργία (βασική περίπτωση, base case) (ii) Χαμηλά φορτία, όλες οι γραμμές σε λειτουργία (iii) Σενάριο έκτακτης ανάγκης (Τμήμα ΣΤ) 6. Πλήρως συμπληρωμένους τους Πίνακες 1 μέχρι Οικονομικά στοιχεία (α) Ανάλυση κόστους εξοπλισμού (όλος ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε για όλες τις καταστάσεις λειτουργίας) (βασική περίπτωση + επιπλέον στοιχεία στην περίπτωση με χαμηλά φορτία).

2 (β) Υπολογισμός απωλειών για όλες τις καταστάσεις λειτουργίας (γ) Υπολογισμός λειτουργικού κόστους για όλες τις καταστάσεις λειτουργίας 8. Τυπωμένα τα τρία συστήματα που προέκυψαν.

3 Β. Χαρακτηριστικά γραμμών μεταφοράς και μετασχηματιστών 1. Γραμμές μεταφοράς Υπάρχουν οι πιο κάτω επιλογές. Όλοι οι αγωγοί στο σύστημα πρέπει να είναι μονοί (όχι bundled). Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μέχρι και 3 γραμμές μεταξύ δυο ζυγών. Δεν μπορείτε να εγκαταστήσετε γραμμές μεταξύ ζυγών που δεν είναι ήδη ενωμένοι μεταξύ τους. Μπορείτε να επιλέξετε μεταξύ δυο επιπέδων τάσεως για τις γραμμές (132 kv ή 220 kv). Μπορείτε να επιλέξετε πέραν του ενός τύπου αγωγού για το σύστημα. (α) Αγωγός Condor Οριζόντια διάταξη Απόσταση μεταξύ φάσεων 4.5 m Χρησιμοποιήστε το ονομαστικό κύκλωμα π (nominal pi model) για να υπολογίσετε τις παραμέτρους των γραμμών. (β) Αγωγός Falcon Οριζόντια διάταξη Απόσταση μεταξύ φάσεων 6 m Χρησιμοποιήστε το ονομαστικό κύκλωμα π (nominal pi model) για να υπολογίσετε τις παραμέτρους των γραμμών. (γ) Αγωγός Ostrich Οριζόντια διάταξη Απόσταση μεταξύ φάσεων 5 m Χρησιμοποιήστε το ονομαστικό κύκλωμα π (nominal pi model) για να υπολογίσετε τις παραμέτρους των γραμμών. 2. Μετασχηματιστές (α) 11:132 kv grounded wye και στις δυο πλευρές 140 MVA 9% επαγωγική αντίσταση Δεν υπάρχουν βηματικοί διακόπτες (taps) (β) 11:220 kv grounded wye και στις δυο πλευρές 140 MVA 8% επαγωγική αντίσταση Δεν υπάρχουν βηματικοί διακόπτες (taps) (γ) 15:132 kv grounded wye και στις δυο πλευρές 350 MVA 7.5% επαγωγική αντίσταση Δυο taps 2.5% πάνω από την ονομαστική τιμή και δύο κάτω (στην πλευρά της χαμηλής τάσης) (δ) 15:220 kv grounded wye και στις δυο πλευρές 350 MVA 6% επαγωγική αντίσταση Δυο taps 2.5% πάνω από την ονομαστική τιμή και δύο κάτω (στην πλευρά της χαμηλής τάσης)

4 3. Εγκάρσιοι πυκνωτές 10, 20,, 100 MVAr Η τιμή του πυκνωτή που θα εμφανίζεται στο σύστημα σας μπορεί να είναι ενδιάμεση των πιο πάνω, αλλά στον υπολογισμό του κόστους εξοπλισμού θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε την επόμενη στρογγυλοποιημένη τιμή. 4. Εγκάρσιες επαγωγικές αντιστάσεις 5, 10, 15,, 50 MVAr Η τιμή της εγκάρσιας επαγωγικής αντίστασης που θα εμφανίζεται στο σύστημα σας μπορεί να είναι ενδιάμεση των πιο πάνω, αλλά στον υπολογισμό του κόστους εξοπλισμού θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε την επόμενη στρογγυλοποιημένη τιμή.

5 Γ. Λοιπά χαρακτηριστικά συστήματος Μπορείτε να επιλέξετε τάση λειτουργίας 132 kv ή 220 kv βασιζόμενοι σε λειτουργικά και οικονομικά κριτήρια. 1. Γεννήτριες (α) Μονάδες 1 και 2 15 kv, 175 MW, 0.95 συντελεστή ισχύος (β) Μονάδες 3 και 4 15 kv, 120 ΜW, 0.9 συντελεστή ισχύος (γ) Μονάδες 5 και 6 11 kv, 40 ΜW, 0.8 συντελεστή ισχύος 2. Φορτία Τα φορτία που φαίνονται στο Σχεδιάγραμμα 1 είναι τα μέγιστα φορτία (υψηλά φορτία) κατά την καλοκαιρινή περίοδο (MW και MVAr). Κατά τη χειμερινή περίοδο (χαμηλά φορτία) τα φορτία στους ζυγούς παρουσιάζονται στον Πίνακα 1. Πίνακας 1. Φορτία ζυγών κατά τη χειμερινή περίοδο Ζυγός Ενεργός ισχύς (MW) Άεργος ισχύς (MVAr)

6 Δ. Λειτουργικά κριτήρια 1. Το σύστημα λειτουργεί σε συχνότητα 50 Hz. 2. Τάσεις ζυγών (α) Τάσεις γεννητριών Μπορούν να μεταβάλλονται από 0.97 p.u. έως 1.03 p.u. (β) Τάσεις ζυγών φορτίων Πρέπει να διατηρούνται μεταξύ 0.99 και 1.02 p.u. για όλες τις περιπτώσεις Χρησιμοποιήστε τις ακόλουθες μεθόδους για να το επιτύχετε: -- Διακοπτόμενες (switched) εγκάρσιες επαγωγικές αντιστάσεις (shunt reactors) και εγκάρσιους πυκνωτές (shunt capacitors) -- Αύξηση ή μείωση της τάσης στα άκρα των γεννητριών μεταξύ 0.97 p.u. και 1.03 p.u. -- Μεταβολή των βηματικών διακοπτών (taps) των μετασχηματιστών 3. Η διαφορά φάσης της τάσης μεταξύ των ζυγών 2 και 7 δεν πρέπει να ξεπερνά τις 8 μοίρες όταν η μια από τις γραμμές είναι εκτός λειτουργίας. Για να το επιτύχετε, προσθέστε πυκνωτές σε σειρά (series capacitors). (Μοντελοποιήστε τους μειώνοντας την επαγωγική αντίσταση της γραμμής). 4. Δεν επιτρέπεται η υπερφόρτωση οποιουδήποτε στοιχείου κατά τη διάρκεια απώλειας ενός στοιχείου. Για να το εξασφαλίσετε, προσθέστε γραμμές μεταφοράς. Δεν επιτρέπεται να προσθέσετε γραμμές μεταξύ ζυγών που δεν είναι ήδη ενωμένοι. 5. Κατά τη διάρκεια της απώλειας ενός στοιχείου (Ν-1 contingency) (γραμμής, ή μετασχηματιστή), το σύστημα πρέπει να παραμένει λειτουργικό και να διασφαλίζονται όλα τα προαναφερθέντα λειτουργικά κριτήρια χωρίς να κάνετε οποιαδήποτε άλλη αλλαγή. 6. (α) Αν μια μονάδα είναι δεσμευμένη στο σύστημα (online), πρέπει να παράγει τουλάχιστον το 30% της ονομαστικής της τιμής σε MW. (β) Σε όλες τις περιπτώσεις λειτουργίας σε ασφαλή κατάσταση, πρέπει να παρέχεται στρεφόμενη εφεδρεία τουλάχιστον 15%. 7. Κατά τη χειμερινή περίοδο ισχύουν τα ακόλουθα: (α) Οι γεννήτριες 3 και 5 είναι εκτός λειτουργίας αφού τυγχάνουν συντήρησης. (β) Οι γραμμές μεταφοράς μεταξύ των ζυγών 6-7 και 7-9 αναβαθμίζονται, και επομένως είναι εκτός λειτουργίας. Σημείωση: Δεν επιτρέπεται να εγκαταστήσετε εγκάρσιο πυκνωτή ή εγκάρσια επαγωγική αντίσταση σε ζυγούς γεννητριών ή μετασχηματιστών.

7 Ε. Λειτουργικό κόστος και κόστος εξοπλισμού 1. Λειτουργικό κόστος Το κόστος παραγωγής στις έξι μονάδες είναι: Μονάδα Κόστος παραγωγής ( /MWh) 3 και και και Κόστος εξοπλισμού (α) Κόστος γραμμών μεταφοράς (χιλιάδες ευρώ ανά χιλιόμετρο) (μονοί αγωγοί) Τύπος Γραμμής 132 kv 220 kv Condor Falcon Ostrich (β) Κόστος μετασχηματιστών Μετασχηματιστής Κόστος (χιλιάδες ευρώ ανά μετασχηματιστή) 11:132 kv :220 kv :132 kv :220 kv 890 (γ) Εγκάρσιοι πυκνωτές Ονομαστική τάση (kv) Κόστος (χιλιάδες ευρώ ανά MVAr) (δ) Εγκάρσιες επαγωγικές αντιστάσεις Ονομαστική τάση (kv) Κόστος (χιλιάδες ευρώ ανά MVAr)

8 ΣΤ. Σενάριο έκτακτης ανάγκης Κατά τη διάρκεια λειτουργικού ελέγχου διακοπτών στον υποσταθμό του ζυγού 6, από σφάλμα που δημιουργείται, ο ζυγός 6 τίθεται εκτός λειτουργίας, αναγκάζοντας τις γραμμές μεταφοράς που καταλήγουν στον συγκεκριμένο ζυγό να τεθούν εκτός λειτουργίας από το σύστημα προστασίας του υποσταθμού. Λόγω των ταλαντώσεων που προκύπτουν, το σύστημα προστασίας της γεννήτριας G1 την θέτει εκτός λειτουργίας. Καλείστε να επαναφέρετε το υπόλοιπο σύστημα σε λειτουργία σταθερής κατάστασης σεβόμενοι τα λειτουργικά κριτήρια και τα κριτήρια ασφαλείας. Δεν δικαιούστε να προσθέσετε οποιοδήποτε καινούργιο εξοπλισμό. Αναφέρετε και αιτιολογήστε όλες τις ενέργειες στις οποίες θα προβείτε. Τυπώστε το σύστημα όπως θα είναι στην τελική του μορφή μετά τις απαραίτητες διορθωτικές κινήσεις. Συμπληρώστε τον Πίνακα 3. Σημείωση 1: Αυτό το σενάριο συμβαίνει κατά την καλοκαιρινή περίοδο. Σημείωση 2: Σε περίπτωση υπερφόρτωσης γραμμών μεταφοράς μπορείτε να υποθέσετε ότι δεν θα λειτουργήσει το σύστημα προστασίας της γραμμής και δεν θα ανοίξει. Όμως πρέπει να την επαναφέρετε στο λειτουργικό της όριο. Ζ. Βαθμολόγηση εργασίας Ο τρόπος βαθμολογίας της εργασίας παρουσιάζεται στο Παράρτημα Α.

9 ΠΙΝΑΚΑΣ 1 ΥΨΗΛΑ ΦΟΡΤΙΑ, ΟΛΕΣ ΟΙ ΓΡΑΜΜΕΣ ΣΕ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ (BASE CASE) 1. Ρύθμιση βηματικών διακοπτών μετασχηματιστών Τ 1 Ζυγός 1:Ζυγός 2 : Τ 2 Ζυγός 1:Ζυγός 2 : Τ 3 Ζυγός 4:Ζυγός 5 : Τ 4 Ζυγός 4:Ζυγός 5 : 2. Ρύθμιση τάσεων γεννητριών Μονάδες 1 και 2: Μονάδες 3 και 4: Μονάδες 5 και 6: 3. Κατάσταση διακοπτόμενων επαγωγικών αντιστάσεων και πυκνωτών ανά ζυγό Ζυγός Επαγωγική αντίσταση (MVAr) Πυκνωτής (MVAr) Φόρτωση γεννητριών Γεννήτρια MW MVAr 5. Συνολικό κόστος εξοπλισμού: 6. Συνολικές απώλειες ενεργού ισχύος: 7. Συνολικό λειτουργικό κόστος για μια ώρα λειτουργίας σε αυτή την κατάσταση:

10 ΠΙΝΑΚΑΣ 2 ΧΑΜΗΛΑ ΦΟΡΤΙΑ, ΟΛΕΣ ΟΙ ΓΡΑΜΜΕΣ ΣΕ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ 1. Ρύθμιση βηματικών διακοπτών μετασχηματιστών Τ 1 Ζυγός 1:Ζυγός 2 : Τ 2 Ζυγός 1:Ζυγός 2 : Τ 3 Ζυγός 4:Ζυγός 5 : Τ 4 Ζυγός 4:Ζυγός 5 : 2. Ρύθμιση τάσεων γεννητριών Μονάδες 1 και 2: Μονάδες 3 και 4: Μονάδες 5 και 6: 3. Κατάσταση διακοπτόμενων επαγωγικών αντιστάσεων και πυκνωτών ανά ζυγό Ζυγός Επαγωγική αντίσταση (MVAr) Πυκνωτής (MVAr) Φόρτωση γεννητριών Γεννήτρια MW MVAr 5. Συνολικό κόστος εξοπλισμού: (σε περίπτωση που χρειαστεί επιπλέον εξοπλισμός) 6. Συνολικές απώλειες ενεργού ισχύος: 7. Συνολικό λειτουργικό κόστος για μια ώρα λειτουργίας σε αυτή την κατάσταση:

11 ΠΙΝΑΚΑΣ 3 ΣΕΝΑΡΙΟ ΕΚΤΑΚΤΗΣ ΑΝΑΓΚΗΣ 1. Ρύθμιση βηματικών διακοπτών μετασχηματιστών Τ 1 Ζυγός 1:Ζυγός 2 : Τ 2 Ζυγός 1:Ζυγός 2 : Τ 3 Ζυγός 4:Ζυγός 5 : Τ 4 Ζυγός 4:Ζυγός 5 : 2. Ρύθμιση τάσεων γεννητριών Μονάδες 1 και 2: Μονάδες 3 και 4: Μονάδες 5 και 6: 3. Κατάσταση διακοπτόμενων επαγωγικών αντιστάσεων και πυκνωτών ανά ζυγό Ζυγός Επαγωγική αντίσταση (MVAr) Πυκνωτής (MVAr) Φόρτωση γεννητριών Γεννήτρια MW MVAr 5. Συνολικές απώλειες ενεργού ισχύος: 6. Συνολικό λειτουργικό κόστος για μια ώρα λειτουργίας σε αυτή την κατάσταση:

12 G1 G T1 T km km 180 km 3 70 km 70 km T3 4 G3 10 km 20 5 T T5 80 km 60 km 40 km km T4 G4 8 G6 G5 Σχεδιάγραμμα 1. Σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ισχύος

13 Παράρτημα Α Βαθμολόγηση εργασίας σχεδιασμού και ανάλυσης συστήματος μεταφοράς 1. Υπολογισμοί και διάγραμμα εμπεδήσεων /11 2. Απαιτήσεις για αντιστάθμιση σε σειρά γραμμών 220 kv /3 Υψηλά φορτία, όλες οι γραμμές σε λειτουργία 3. Αιτιολόγηση χρήσης επιπλέον εξοπλισμού /10 4. Εκτύπωση συστήματος (από PowerWorld) /4 5. Συμπληρωμένο διάγραμμα ροής ισχύος /4 6. Πίνακας 1 /10 Χαμηλά φορτία, όλες οι γραμμές σε λειτουργία 7. Εκτύπωση συστήματος (από PowerWorld) /4 8. Συμπληρωμένο διάγραμμα ροής ισχύος /4 9. Πίνακας 2 /10 Σενάριο έκτακτης ανάγκης 10. Αιτιολόγηση ενεργειών για διατήρηση του συστήματος σε σταθερή κατάσταση /5 11. Εκτύπωση συστήματος (από PowerWorld) /4 12. Συμπληρωμένο διάγραμμα ροής ισχύος /4 13. Πίνακας 3 / Ανάλυση κόστους / Εμφάνιση δακτυλογραφημένης αναφοράς /5 ΣΥΝΟΛΟ /100 Επιπλέον βαθμοί/μείωση βαθμολογίας 16. Μη δακτυλογραφημένη αναφορά -50% 17. Καλύτερη λύση από οικονομικής και λειτουργικής απόψεως +10 Ενδιάμεση λύση -5 Χειρότερη λύση -20 Οι υπόλοιπες λύσεις θα βαθμολογηθούν ανάλογα με τη θέση τους σε σχέση με τις προαναφερθείσες λύσεις.