ΗΜΥ 442 και ΗΜΥ 680: Ανάλυση Συστημάτων Ηλεκτρικής Ισχύος Χειμερινό Εξάμηνο 2018 Σχεδιασμός και ανάλυση συστήματος μεταφοράς Ημερομηνία Παραδόσεως Εργασίας: Τρίτη, 4/12/18 A. Ορισμός του προβλήματος Το Σχεδιάγραμμα 1 δείχνει ένα σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ισχύος που αποτελείται από ζυγούς, μετασχηματιστές, γεννήτριες και φορτία. Να σχεδιαστεί το σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ισχύος έτσι ώστε να πληροί τα ελάχιστα λειτουργικά κριτήρια (Μέρος Β). Θα χρειαστεί να: (α) Προσθέσετε τον αναγκαίο εξοπλισμό (γραμμές μεταφοράς, πυκνωτές, επαγωγικές αντιστάσεις) (β) Καθορίσετε τη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας της κάθε γεννήτριας στο σύστημα και τους βηματικούς διακόπτες των μετασχηματιστών. Θα βαθμολογηθείτε/κριθείτε ανάλογα με την λειτουργία του συστήματος: α) σε σταθερή κατάσταση, β) όταν το Ν-1 κριτήριο εφαρμοστεί, γ) στην κατάσταση έκτακτης ανάγκης, και δ) στο κόστος του εξοπλισμού. Επίσης, θα αξιολογηθεί και το λειτουργικό κόστος. Γενικοί κανόνες: 1. Το σύστημα πρέπει να σχεδιαστεί χρησιμοποιώντας το λογισμικό PowerWorld. 2. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μόνο συγκεκριμένους αγωγούς για τις γραμμές μεταφοράς, οι οποίοι δίνονται στο Μέρος Γ. 3. Δεν μπορείτε να χρησιμοποιήσετε πολλαπλούς αγωγούς ανά φάση (bundled conductors). 4. Το σύστημα πρέπει να παραμένει σε λειτουργία σε περίπτωση απώλειας οποιουδήποτε στοιχείου (εξαιρουμένων των γεννητριών) (κριτήριο Ν-1). Χρησιμοποιήστε σαν βάση για την ισχύ την τιμή των 100 ΜVA. Η τιμή βάσης για την τάση θα πρέπει να καθοριστεί ανάλογα με την αντίστοιχη περιοχή. Οι περιορισμοί και τα λειτουργικά κριτήρια δίνονται στο Μέρος Β. Τα χαρακτηριστικά του συστήματος δίνονται στο Μέρος Γ. Το κόστος του εξοπλισμού παρουσιάζεται στο Μέρος Δ. Το σύστημα βαθμολόγησης παρουσιάζεται στο Μέρος Ε. Η τελική (δακτυλογραφημένη) αναφορά πρέπει να περιλαμβάνει τα ακόλουθα: 1. (α) Υπολογισμός των παραμέτρων των μετασχηματιστών και των γραμμών μεταφοράς. (β) Διάγραμμα εμπεδήσεων για το τελικό σύστημα. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την ίδια διάταξη του συστήματος που φαίνεται στο Σχεδιάγραμμα 1. 2. Διαγράμματα ροής ισχύος για τις ακόλουθες καταστάσεις: (α) Ψηλά φορτία (β) Χαμηλά φορτία (γ) Κατάσταση σφάλματος 3. Συμπληρωμένοι Πίνακες 1, 2 και 3 4. Οικονομικά δεδομένα: (α) Κόστος εξοπλισμού (σύνολο για όλες τις περιπτώσεις) (β) Υπολογισμός των απωλειών για όλες τις περιπτώσεις (γ) Υπολογισμός λειτουργικού κόστους για όλες τις περιπτώσεις. Η αναφορά πρέπει να παραδοθεί ηλεκτρονικά ως εξής: 1. Ένα.pdf αρχείο με την πλήρη αναφορά (συμπεριλαμβανομένου και των σχεδιαγραμμάτων) 2. Ένα συμπιεσμένο αρχείο που να περιλαμβάνει όλα τα αρχεία του PowerWorld για κάθε περίπτωση.
Β. Λειτουργικά κριτήρια 1. Το σύστημα λειτουργεί σε συχνότητα 50 Ηz και σε τάση 220 kv εκτός από τους ζυγούς των γεννητριών όπου η τάση καθορίζεται από την ονομαστική τιμή των γεννητριών. 2. Τάση ζυγών (α) Η τάση στους ζυγούς γεννητριών μπορεί να κυμαίνεται από 0.97 p.u. σε 1.03 p.u. (β) Η τάση στους ζυγούς των φορτίων πρέπει να διατηρείται από 0.99 σε 1.02 p.u. σε όλες τις περιπτώσεις. Χρησιμοποιήστε τις ακόλουθες μεθόδους για να το πετύχετε αυτό: -- 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. Δεν πρέπει να υπερφορτωθεί οποιοδήποτε στοιχείο του συστήματος κατά την απώλεια κάποιου εξοπλισμού. 4. Κατά την διάρκεια της απώλειας μιας γραμμής μεταφοράς ή ενός μετασχηματιστή (Ν-1 κριτήριο), το σύστημα πρέπει να παραμένει σε λειτουργία (ενιαίο, χωρίς νησιδοποίηση) και να διασφαλιστούν όλα τα παραπάνω λειτουργικά κριτήρια, χωρίς να κάνετε οποιεσδήποτε αλλαγές. 5. (α) Εάν μια μονάδα είναι δεσμευμένη στο σύστημα (online), πρέπει να παράγει τουλάχιστο το 30% της ονομαστικής της τιμής σε ΜW. (β) Η στρεφόμενη εφεδρεία πρέπει να είναι τουλάχιστο 10%. 6. Την περίοδο ψηλών φορτίων, το σύστημα είναι όπως παρουσιάζεται στο Σχεδιάγραμμα 1. 7. Την περίοδο χαμηλών φορτίων, η γεννήτρια G3 είναι εκτός λειτουργίας λόγω προγραμματισμένης συντήρησης. Επίσης, η γραμμή (ή οι γραμμές) μεταφοράς μεταξύ των ζυγών 7-9 αναβαθμίζεται (-ονται), και επομένως είναι εκτός λειτουργίας. Δεν επιτρέπεται η κατάργηση άλλων γραμμών μεταφοράς ή μετασχηματιστών. Οι γραμμές μεταφοράς που υπάρχουν την περίοδο χαμηλών φορτίων πρέπει να είναι οι ίδιες με τις γραμμές που υπήρχαν στην περίοδο ψηλών φορτίων. 8. Κατάσταση έκτακτης ανάγκης: - Κατά τη διάρκεια λειτουργίας του συστήματος σε περίοδο ψηλών φορτίων, το Κέντρο Ελέγχου του Διαχειριστή Συστήματος Μεταφοράς υφίσταται κυβερνοεπίθεση (cyberattack) και ως εκ τούτου, ο υποσταθμός στο ζυγό 6 τίθεται εκτός λειτουργίας (ανοίγουν οι διακόπτες των γραμμών μεταφοράς που καταλήγουν στον συγκεκριμένο ζυγό). Επίσης, λόγω των ταλαντώσεων που προκύπτουν, το σύστημα προστασίας της γεννήτριας G2 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 επιπλέον εξοπλισμό. - Πέραν από τις επιτρεπόμενες λειτουργικές μεταβολές των στοιχείων, επιτρέπεται η αποσύνδεση οποιουδήποτε εξοπλισμού ή και φορτίου. Αν θα αποσυνδέσετε φορτίο, μπορείτε να υποθέσετε ότι το κάθε φορτίο χωρίζεται σε δύο πανομοιότυπες αναχωρήσεις (feeders) και έτσι δεν χρειάζεται να αποσυνδεθεί όλο το φορτίο σε κάθε ζυγό. Επίσης δεν χρειάζεται να διασφαλιστεί το κριτήριο Ν-1. Όμως πρέπει να διασφαλιστούν τα κριτήρια 2 και 3.
-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. - 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. - Το κριτήριο αξιολόγησης σας σε αυτό το σενάριο είναι η λειτουργία του συστήματος σε σταθερή κατάσταση και εντός των ορίων του, καθώς και η διατήρηση του μέγιστου δυνατού φορτίου.
Γ. Χαρακτηριστικά των γραμμών μεταφοράς και των μετασχηματιστών 1. Γραμμές μεταφοράς Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μέχρι και τρεις γραμμές μεταξύ δύο ζυγών. Μπορείτε να διαλέξετε περισσότερους από έναν τύπο αγωγών για το σύστημα, αλλά εάν χρησιμοποιήσετε δύο ή τρεις γραμμές μεταξύ δύο ζυγών τότε πρέπει να είναι του ίδιου τύπου. Επίσης, δεν επιτρέπεται η χρήση bundled αγωγών. Δεν μπορείτε να εγκαταστήσετε γραμμές μεταξύ ζυγών οι οποίοι δεν είναι ήδη ενωμένοι. Για όλες τις γραμμές πρέπει να χρησιμοποιήσετε το ονομαστικό μοντέλο π (nominal pi model). Όλες οι γραμμές είναι τοποθετημένες σε κάθετη διάταξη. Μπορείτε να υποθέσετε ότι όλες οι γραμμές είναι αντιμετατεθιμένες (transposed). Οι τύποι των αγωγών που επιτρέπονται είναι οι πιο κάτω: (α) Αγωγός Ibis: Απόσταση μεταξύ φάσεων 4 m (β) Αγωγός Partridge: Απόσταση μεταξύ φάσεων 2 m (γ) Copper 52630 cmils, 7 strands: Απόσταση μεταξύ φάσεων 2 m Σε κάποιες περιπτώσεις το είδος του αγωγού μεταξύ δυο ζυγών έχει προεπιλεγεί και παρουσιάζεται στον Πίνακα Γ.1. Πίνακας Γ.1. Είδη αγωγών μεταξύ ζυγών Από ζυγό Στο ζυγό Αγωγός 2 7 Partridge 5 6 Partridge 10 11 Ibis 2. Μετασχηματιστές: (α) Τ1, Τ2, Τ3 και Τ4 15:220 kv grounded wye και στις δυο πλευρές 420 MVA 5% επαγωγική αντίσταση Δυο taps 2.5% πάνω από την ονομαστική τιμή και δύο κάτω (στην πλευρά της χαμηλής τάσης) (β) Τ5 και Τ6 11:220 kv grounded wye και στις δυο πλευρές 180 MVA 8% επαγωγική αντίσταση Δεν υπάρχουν βηματικοί διακόπτες (taps) 3. Εγκάρσιοι πυκνωτές 10, 20,, 100 MVAr Οι τιμές των πυκνωτών που θα χρησιμοποιηθούν στο σύστημα σας μπορούν να είναι ενδιάμεσες στις πιο πάνω τιμές αλλά για τον υπολογισμό του κόστους του εξοπλισμού θα πρέπει να χρησιμοποιείτε την επομένη στρογγυλοποιημένη τιμή. Δικαιούστε μόνο μέχρι ένα πυκνωτή ανά ζυγό.
4. Εγκάρσιες επαγωγικές αντιστάσεις 5, 10, 15,, 50 MVAr Οι τιμές των πηνίων που θα χρησιμοποιηθούν στο σύστημα σας μπορούν να είναι ενδιάμεσες στις πιο πάνω τιμές αλλά για τον υπολογισμό του κόστους του εξοπλισμού θα πρέπει να χρησιμοποιείτε την επομένη στρογγυλοποιημένη τιμή. Σημείωση: Δεν μπορείτε να εγκαταστήσετε εγκάρσιους πυκνωτές ή επαγωγικές αντιστάσεις στους ζυγούς που έχουν γεννήτριες ή μετασχηματιστές. 5. Γεννήτριες (α) Μονάδες 1 και 2 15 kv, 200 MW, 0.9 συντελεστή ισχύος (β) Μονάδες 3 και 4 15 kv, 150 ΜW, 0.85 συντελεστή ισχύος (γ) Μονάδες 5 και 6 11 kv, 75 ΜW, 0.8 συντελεστή ισχύος 6. Φορτία Τα φορτία που φαίνονται στο Σχεδιάγραμμα 1, αναφέρονται στην περίοδο που το φορτίο είναι ψηλό (η πάνω τιμή σε MW και η κάτω τιμή σε MVAr). Την περίοδο χαμηλών φορτίων, τα φορτία στους ζυγούς παρουσιάζονται στον Πίνακα Γ.2. Πίνακας Γ.2. Φορτία ζυγών κατά την περίοδο χαμηλών φορτίων Ζυγός Ενεργός ισχύς (MW) Άεργος ισχύς 3 40 5 6 40 10 7 50 10 9 5 5 10 20 3 11 30 3
Δ. Λειτουργικό κόστος και κόστος εξοπλισμού 1. Λειτουργικό κόστος Το κόστος παραγωγής στις μονάδες είναι: Μονάδα Κόστος παραγωγής ( /MWh) 1 & 2 35 3 & 4 45 5 & 6 55 2. Κόστος εξοπλισμού (α) Κόστος γραμμών μεταφοράς (χιλιάδες ευρώ ανά χιλιόμετρο) (μονοί αγωγοί) Τύπος Γραμμής Κόστος Ibis 100 Partridge 70 Copper 52630 cmils, 7 strands 40 Το κόστος της δεύτερης γραμμής είναι το 75% της πρώτης γραμμής. Αν προστεθεί τρίτη γραμμή, το κόστος της τρίτης γραμμής είναι ίσο με το κόστος της πρώτης γραμμής. (β) Εγκάρσιοι πυκνωτές: 15 χιλιάδες ευρώ ανά MVAr (γ) Εγκάρσιες επαγωγικές αντιστάσεις: 12 χιλιάδες ευρώ ανά MVAr (δ) Μετασχηματιστές: Δεν χρειάζεται να συμπεριλάβετε το κόστος των μετασχηματιστών.
Ε. Βαθμολόγηση εργασίας σχεδιασμού και ανάλυσης συστήματος μεταφοράς 1. Υπολογισμοί /12 2. Διάγραμμα εμπεδήσεων /4 Υψηλά φορτία 3. Εκτύπωση συστήματος (από PowerWorld) /2 4. Συμπληρωμένο διάγραμμα ροής ισχύος /4 5. Πίνακας 1 /6 6. Ποιότητα λύσης/ικανοποίηση λειτουργικών κριτηρίων /8 Χαμηλά φορτία 7. Εκτύπωση συστήματος (από PowerWorld) /2 8. Συμπληρωμένο διάγραμμα ροής ισχύος /4 9. Πίνακας 2 /6 10. Ποιότητα λύσης/ικανοποίηση λειτουργικών κριτηρίων /8 Κατάσταση έκτακτης ανάγκης 9. Εκτύπωση συστήματος (από PowerWorld) /2 10. Συμπληρωμένο διάγραμμα ροής ισχύος /6 11. Πίνακας 3 /5 12. Ποιότητα λύσης/ικανοποίηση λειτουργικών κριτηρίων /8 13. Ανάλυση κόστους /8 14. Ποιότητα τεχνικής και οικονομικής λύσης /10 15. Εμφάνιση δακτυλογραφημένης αναφοράς/σωστή παράδοση /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.
ΠΙΝΑΚΑΣ 1 ΥΨΗΛΑ ΦΟΡΤΙΑ 1. Ρύθμιση τάσεων γεννητριών Μονάδες 1 & 2: Μονάδες 3 & 4: Μονάδες 5 & 6: 2. Κατάσταση διακοπτόμενων επαγωγικών αντιστάσεων και πυκνωτών ανά ζυγό Ζυγός Επαγωγική αντίσταση Πυκνωτής 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 3. Φόρτωση γεννητριών Γεννήτρια 1 2 3 4 5 6 MW MVAr 4. Συνολικό κόστος εξοπλισμού: 5. Συνολικές απώλειες ενεργού ισχύος: 6. Συνολικό λειτουργικό κόστος για μια ώρα λειτουργίας σε αυτή την κατάσταση:
ΠΙΝΑΚΑΣ 2 ΧΑΜΗΛΑ ΦΟΡΤΙΑ 1. Ρύθμιση τάσεων γεννητριών Μονάδες 1 & 2: Μονάδες 3 & 4: Μονάδες 5 & 6: 2. Κατάσταση διακοπτόμενων επαγωγικών αντιστάσεων και πυκνωτών ανά ζυγό Ζυγός Επαγωγική αντίσταση Πυκνωτής 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 3. Φόρτωση γεννητριών Γεννήτρια 1 2 3 4 5 6 MW MVAr 4. Συνολικό κόστος επιπλέον εξοπλισμού: 5. Συνολικές απώλειες ενεργού ισχύος: 6. Συνολικό λειτουργικό κόστος για μια ώρα λειτουργίας σε αυτή την κατάσταση:
ΠΙΝΑΚΑΣ 3 ΣΕΝΑΡΙΟ ΕΚΤΑΚΤΗΣ ΑΝΑΓΚΗΣ 1. Ρύθμιση τάσεων γεννητριών Μονάδες 1 & 2: Μονάδες 3 & 4: Μονάδες 5 & 6: 2. Κατάσταση διακοπτόμενων επαγωγικών αντιστάσεων και πυκνωτών ανά ζυγό (δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερες/οι από την κατάσταση σε ψηλά φορτία) Ζυγός Επαγωγική αντίσταση Πυκνωτής 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 3. Φόρτωση γεννητριών Γεννήτρια 1 2 3 4 5 6 MW MVAr 4. Φορτίο που εξυπηρετείται σε σταθερή κατάσταση (MW/MVAr):
G1 G2 120 40 1 T1 T2 11 2 35 km 120 50 110 km 180 km 3 70 km 70 km 100 40 180 50 7 5 T3 4 G3 10 km 60 20 T6 10 9 T5 80 km 60 km 40 km 140 50 6 30 km T4 G4 8 G6 G5 Σχεδιάγραμμα 1. Σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ισχύος