ΗΜΥ 442 και ΗΜΥ 680 Ανάλυση Συστημάτων Ηλεκτρικής Ισχύος Χειμερινό Εξάμηνο 2007 Σχεδιασμός και ανάλυση συστήματος μεταφοράς Ημερομηνία Παραδόσεως Εργασίας: Τρίτη, 5/12/07 Α. Ορισμός προβλήματος Το Σχεδιάγραμμα 1 δείχνει ένα σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας το οποίο θα πρέπει να βελτιώσετε για να πληροί ορισμένες λειτουργικές προϋποθέσεις. Τα χαρακτηριστικά του συστήματος δίνονται στο Τμήμα Β. Οι προδιαγραφές και τα λειτουργικά κριτήρια του τελικού συστήματος δίνονται στο Τμήμα Γ. Τα λειτουργικά κόστη και τα κόστη του επιπλέον εξοπλισμού δίνονται στο Τμήμα Δ. Χρησιμοποιήστε ως τιμή βάσης για την ισχύ 100 MVA και τιμές βάσεις για την τάση 132 και 220 kv ανάλογα με την περιοχή. Χρησιμοποιώντας το λογισμικό PowerWorld και τις γνώσεις που αποκτήσατε στο μάθημα, σχεδιάστε ένα σύστημα το οποίο (α) να πληροί τα λειτουργικά κριτήρια, (β) να απαιτεί τον ελάχιστο δυνατό επιπλέον εξοπλισμό και (γ) η παραγωγή της ενέργειας να γίνεται με τον πιο οικονομικό τρόπο. Η τελική σας (τυπογραφημένη) αναφορά πρέπει να περιέχει τα ακόλουθα: 1. (α) Υπολογισμούς για παραμέτρους μετασχηματιστών και γραμμών μεταφοράς (β) Διάγραμμα εμπεδήσεων (impedance diagram) για το τελικό σύστημα. Χρησιμοποιήστε το Σχεδιάγραμμα 2 για το διάγραμμα εμπεδήσεων. 2. Υπολογισμούς για τις εγκάρσιες επαγωγικές αντιστάσεις που χρειάζονται στα άκρα των γραμμών μεταφοράς 220 kv ούτως ώστε να αντιμετωπιστεί το φαινόμενο Ferranti. Αναφέρετε την τιμή της επαγωγικής αντίστασης σε MVAr και την ονομαστική της τιμή σε kv. 3. 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) Ελαφριά φορτία, όλες οι γραμμές σε λειτουργία (iii) Σενάριο έκτακτης ανάγκης Χρησιμοποιήστε το Σχεδιάγραμμα 2 για τα διαγράμματα ροής ισχύος. 6. Συμπληρωμένους πίνακες 1-3 δείχνοντας τις προγραμματισμένες θέσεις (taps) των μετασχηματιστών, τις τάσεις στις γεννήτριες, τους προγραμματισμένους εγκάρσιους πυκνωτές και τα εγκάρσια πηνία, και τη φόρτωση των γεννητριών για κάθε περίπτωση του προηγούμενου ερωτήματος. 7. Ανάλυση κόστους για την βασική περίπτωση (α) Ανάλυση κόστους επιπλέον εξοπλισμού (β) Ανάλυση λειτουργικού κόστους 8. Τυπωμένα τα τρία συστήματα που προέκυψαν.
Β. Χαρακτηριστικά συστήματος Η κλίμακα στο Σχεδιάγραμμα 1 είναι 1 cm = 15 km για την περιοχή με τις γραμμές μεταφοράς 132 kv. Για την περιοχή με τις γραμμές μεταφοράς 220 kv, το Σχεδιάγραμμα 1 δεν είναι σε κλίμακα. 1. Γραμμές μεταφοράς (α) Γραμμές 132 kv Αγωγοί: ACSR 874500 cmil 54/7 Οριζόντια διάταξη Απόσταση μεταξύ φάσεων 5.2 m. Οι παράμετροι των γραμμών μπορούν να υπολογιστούν χρησιμοποιώντας το ονομαστικό κύκλωμα π (nominal pi model). (β) Γραμμές 220 kv Μήκος: 400 km Αγωγοί: 1113 kcmil 54/19 Δύο αγωγοί ανά φάση με απόσταση 16 ίντσες μεταξύ τους Οριζόντια διάταξη μεταξύ φάσεων με απόσταση 7.7 m μεταξύ τους Χρησιμοποιήστε το ισοδύναμο κύκλωμα π (equivalent pi) για να υπολογίσετε τις παραμέτρους. 2. Μετασχηματιστές (α) Τ 1 και Τ 2 400 MVA 220 kv grounded wye : 132 kv grounded wye 9% επαγωγική αντίσταση Δυο taps 2.5% πάνω από την ονομαστική τιμή και δύο κάτω (στην πλευρά της ψηλής τάσης) 3. Γεννήτριες (α) Μονάδες 1 και 2 220 kv, 200 MW, 0.95 συντελεστή ισχύος (β) Μονάδες 3, 4 και 5 132 kv, 140 ΜW, 0.9 συντελεστή ισχύος (γ) Μονάδες 6 και 7 132 kv, 200 ΜW, 0.8 συντελεστή ισχύος 4. 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 (ελαφριά φορτία), η μέγιστη τιμή των φορτίων είναι το 40% της ενεργού ισχύος και το 25% της άεργου ισχύος.
Χρήσιμες πληροφορίες 1. Οικονομική κατανομή μονάδων: Το κόστος παραγωγής στις εφτά μονάδες αυξάνεται με την ακόλουθη σειρά: (α) Μονάδες 6 και 7 (πιο φτηνές) (β) Μονάδες 1 και 2 (γ) Μονάδες 3, 4 και 5 (πιο ακριβές) 2. Φόρτωση μονάδων: (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 πρέπει να παρέχεται στρεφόμενη εφεδρεία τουλάχιστον 15%.
Γ. Λειτουργικά κριτήρια 1. Τάσεις ζυγών (α) Τάσεις γεννητριών Μπορούν να μεταβάλλονται από 0.97 p.u. έως 1.05 p.u. (β) Τάσεις ζυγών 132 kv 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 1.05 p.u. -- Μεταβολή των βηματικών διακοπτών (taps) των μετασχηματιστών (γ) Τάσεις ζυγών 220 kv Δεν επιτρέπεται να υπερβούν το 1.08 p.u. σε καμία περίπτωση και σε καμία κατάσταση λειτουργίας 2. Η τάση στο ανοικτό άκρο των γραμμών 220 kv δεν επιτρέπεται να υπερβαίνει το 1.08 p.u. όταν η τάση στο κλειστό άκρο της γραμμής είναι 1.02 p.u. και δεν υπάρχουν πυκνωτές σε σειρά. (Για να εξασφαλίσετε αυτό το λειτουργικό κριτήριο προσθέστε εγκάρσιες επαγωγικές αντιστάσεις (shunt reactors) στα δύο άκρα κάθε γραμμής 220 kv. Μοντελοποιήστε τις επαγωγικές αντιστάσεις μειώνοντας την εγκάρσια επιδεκτικότητα (shunt susceptance) της γραμμής). 3. Η διαφορά φάσης της τάσης μεταξύ των ζυγών 1 και 2 δεν πρέπει να ξεπερνά τις 25 μοίρες όταν η μια από τις δύο γραμμές 220 kv 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 ή μετατρέψετε υπάρχουσες γραμμές σε γραμμές με πολλαπλούς αγωγούς. 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. Εξαίρεση αποτελεί ο ζυγός 3 όπου επιτρέπεται απόκλιση ±0.02 p.u. από τα προκαθορισμένα όρια μετά την αφαίρεση κάποιου στοιχείου. Σε περίπτωση απώλειας μιας γεννήτριας, το σύστημα πρέπει να παραμένει λειτουργικό χωρίς κατ ανάγκη να σέβεστε τα όρια τάσεων στους ζυγούς. Σημείωση: Δεν επιτρέπεται να εγκαταστήσετε εγκάρσιο πυκνωτή ή εγκάρσια επαγωγική αντίσταση σε ζυγούς γεννητριών ή μετασχηματιστών.
Δ. Λειτουργικό κόστος και κόστος επιπλέον εξοπλισμού (α) Κόστος επιπλέον εξοπλισμού Είδος εξοπλισμού Γραμμή μεταφοράς 132 kv Εγκάρσιος πυκνωτής 132 kv Εγκάρσια επαγωγική αντίσταση 132 kv Κόστος 150k/km 9/kVAr 12/kVAr (β) Λειτουργικό κόστος Είδος Κόστος λειτουργίας Κόστος παραγωγής ανά MVA Μονάδες 6 και 7 200 10/MVA Μονάδες 1 και 2 300 18/MVA Μονάδες 3, 4 και 5 400 30/MVA Ε. Σενάριο έκτακτης ανάγκης Υποθέστε ότι συμβαίνει ένα σφάλμα στην περιοχή των ζυγών 5 και 6. Το σφάλμα αναγκάζει τα συστήματα προστασίας σε αυτούς τους ζυγούς να τους αποσυνδέσουν από το υπόλοιπο σύστημα. Καλείστε να προσπαθήσετε να σώσετε το σύστημα από γενική συσκότιση (blackout). Δικαιούστε να μεταβάλετε τους βηματικούς διακόπτες των μετασχηματιστών, την παραγωγή των γεννητριών, τους εγκάρσιους πυκνωτές και τις εγκάρσιες επαγωγικές αντιστάσεις. Δεν δικαιούστε να προσθέσετε οποιοδήποτε καινούργιο εξοπλισμό. Τυπώστε το σύστημα όπως θα είναι στην τελική του μορφή μετά τις απαραίτητες διορθωτικές κινήσεις. Συμπληρώστε τον Πίνακα 3. Αν χρειαστεί να προβείτε σε οποιεσδήποτε περαιτέρω ενέργειες, πρέπει να τις αναφέρετε και να τις αιτιολογήσετε. ΣΤ. Βαθμολόγηση εργασίας Η βαθμολογία της εργασίας παρουσιάζεται στο Παράρτημα Α.
ΠΙΝΑΚΑΣ 1 ΥΨΗΛΑ ΦΟΡΤΙΑ, ΟΛΕΣ ΟΙ ΓΡΑΜΜΕΣ ΣΕ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ (BASE CASE) 1. Ρύθμιση βηματικών διακοπτών μετασχηματιστών Τ 1 Ζυγός 2:Ζυγός 3 : Τ 2 Ζυγός 2:Ζυγός 3 : 2. Ρύθμιση τάσεων γεννητριών Μονάδες 1 και 2: ανά μονάδα Μονάδες 3, 4 και 5: ανά μονάδα Μονάδες 6 και 7: ανά μονάδα 3. Κατάσταση διακοπτόμενων επαγωγικών αντιστάσεων και πυκνωτών ανά ζυγό Ζυγός Επαγωγική αντίσταση Πυκνωτής 1 2 3 4 5 6 7 8 9 4. Φόρτωση γεννητριών Γεννήτρια 1 2 3 4 5 6 7 MW MVAr 5. Συνολικό κόστος (εξοπλισμού και λειτουργικό):
ΠΙΝΑΚΑΣ 2 ΕΛΑΦΡΙΑ ΦΟΡΤΙΑ, ΟΛΕΣ ΟΙ ΓΡΑΜΜΕΣ ΣΕ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ 1. Ρύθμιση βηματικών διακοπτών μετασχηματιστών Τ 1 Ζυγός 2:Ζυγός 3 : Τ 2 Ζυγός 2:Ζυγός 3 : 2. Ρύθμιση τάσεων γεννητριών Μονάδες 1 και 2: ανά μονάδα Μονάδες 3, 4 και 5: ανά μονάδα Μονάδες 6 και 7: ανά μονάδα 3. Κατάσταση διακοπτόμενων επαγωγικών αντιστάσεων και πυκνωτών ανά ζυγό Ζυγός Επαγωγική αντίσταση Πυκνωτής 1 2 3 4 5 6 7 8 9 4. Φόρτωση γεννητριών Γεννήτρια 1 2 3 4 5 6 7 MW MVAr
ΠΙΝΑΚΑΣ 3 ΣΕΝΑΡΙΟ ΕΚΤΑΚΤΗΣ ΑΝΑΓΚΗΣ 1. Ρύθμιση βηματικών διακοπτών μετασχηματιστών Τ 1 Ζυγός 2:Ζυγός 3 : Τ 2 Ζυγός 2:Ζυγός 3 : 2. Ρύθμιση τάσεων γεννητριών Μονάδες 1 και 2: ανά μονάδα Μονάδες 3, 4 και 5: ανά μονάδα Μονάδες 6 και 7: ανά μονάδα 3. Κατάσταση διακοπτόμενων επαγωγικών αντιστάσεων και πυκνωτών ανά ζυγό Ζυγός Επαγωγική αντίσταση Πυκνωτής 1 2 3 4 5 6 7 8 9 4. Φόρτωση γεννητριών Γεννήτρια 1 2 3 4 5 6 7 MW MVAr
G1,G2 1 2 T1 T2 3 95 30 9 95 30 4 8 180 50 G6, G7 130 40 6 G3, G4, G5 5 150 45 140 40 7 Σχεδιάγραμμα 1. Σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ισχύος (το μέρος που ανήκει στο σύστημα 132 kv είναι σε κλίμακα 1 cm = 15 km)
G3,G4,G5 5 7 1 2 T1 3 8 G1, G2 6 T2 4 G6, G7 9 Σχεδιάγραμμα 2. Μονογραμμικό διάγραμμα συστήματος
Παράρτημα Α Βαθμολόγηση εργασίας σχεδιασμού και ανάλυσης συστήματος μεταφοράς 1. Υπολογισμοί και διάγραμμα εμπεδήσεων /10 2. Απαιτήσεις για παράλληλη αντιστάθμιση γραμμών 345 kv /4 3. Απαιτήσεις για αντιστάθμιση σε σειρά γραμμών 345 kv /4 Υψηλά φορτία, όλες οι γραμμές σε λειτουργία 4. Αιτιολόγηση χρήσης επιπλέον εξοπλισμού /10 5. Εκτύπωση συστήματος (από PowerWorld) /5 6. Συμπληρωμένο διάγραμμα ροής ισχύος /4 7. Πίνακας 1 /10 Ελαφριά φορτία, όλες οι γραμμές σε λειτουργία 8. Εκτύπωση συστήματος (από PowerWorld) /5 9. Συμπληρωμένο διάγραμμα ροής ισχύος /4 10. Πίνακας 2 /10 Σενάριο έκτακτης ανάγκης 11. Εκτύπωση συστήματος (από PowerWorld) /5 12. Συμπληρωμένο διάγραμμα ροής ισχύος /4 13. Πίνακας 3 /10 14. Ανάλυση κόστους /10 15. Εμφάνιση δακτυλογραφημένης αναφοράς /5 ΣΥΝΟΛΟ /100 Επιπλέον βαθμοί/μείωση βαθμολογίας 16. Μη δακτυλογραφημένη αναφορά -50% 17. Καλύτερη λύση από οικονομικής απόψεως +10 Ενδιάμεση λύση -5 Χειρότερη λύση -20 Οι υπόλοιπες λύσεις θα βαθμολογηθούν ανάλογα με τη θέση τους σε σχέση με τις προαναφερθείσες λύσεις.