ИЗБОР НА ОПТИМАЛНА ЛОКАЦИЈА НА 400/110 kv РЕГУЛАЦИОНИ АВТО-ТРАНСФОРМАТОРИ ВО ЕЕС НА РМ

6. СОВЕТУВАЊЕ Охрид, 4-6 октомври 2009 Климент Наумоски Александар Пауноски Елизабета Силјановска Атанасова Елена Јовановска Александар Костевски АД МЕПСО Скопје ИЗБОР НА ОПТИМАЛНА ЛОКАЦИЈА НА 400/110 kv РЕГУЛАЦИОНИ АВТО-ТРАНСФОРМАТОРИ ВО ЕЕС НА РМ КУСА СОДРЖИНА Во овој труд е презентирана техно-економската анализа за избор на оптимална локација на двата 400/110 kv авто-трансформатори опремени со автоматска регулација на преносниот однос под товар (АРПТ) во електроенергетскиот систем на Македонија. За таа цел, при техничките пресметки е користен посебен оптимизационен софтверски модул, дел од програмскиот пакет PSS TM E. Дефинирани се две варијанти кои се анализирани во однос на нивните технички карактеристики. Потоа, според економски критериуми се споредени придобивките и недостатоците на варијантите. Клучни зборови: оптимизација, OPF, автоматска регулација под товар, авто-трансформатор. 1 ВОВЕД Проектот за изградба на 400/110 kv ТС Штип е во завршна фаза на реализација. Трансформацијата на електричната енергија од 400 kv на 110 kv напонско ниво ќе се реализира преку авто-трансформатор со номинална моќност од 300/300/100 MVA и преносен однос 400/115/10.5 kv. Предвидено е трансформаторот да има можност за автоматска регулација на преносниот однос под товар (АРПТ) на 400 kv напонско ниво, во дијапазон од -10 1.25%U n до +6 1.25%U n, односно опсег на регулација од 87.5% (350 kv) до 107.5% (430 kv) и чекор на регулација од 1.25% (5 kv). Трансформаторот предвиден за инсталација во новата ТС Штип е веќе изработен. Ист ваков трансформатор, со можност на автоматска регулација на преносниот однос под товар (АРПТ) неодамна е инсталиран и пуштен во погон во 400/110 kv ТС Скопје 5. Во ТС Скопје 5 постои уште еден 400/115/10.5 kv авто-трансформатор кој нема АРПТ. Неговиот преносен однос може да се менува само во безнапонска состојба преку регулатор поставен на 400 kv страна, и тоа во мал дијапазон од -2 2.5% до +2 2.5%. И останатите 400/110 * kv трансформатори во Македонија имаат иста ограничена можност за регулација на * Сите авто-трансформатори во Македонија за интерконектирање на 400 kv и 110 kv напонско ниво имаат и терциерна намотка која служи за испитување, мерење и симетрирање на оптоварувањето. Кај постарите ТР-и терциерната намотка има номинален напон од 31.5 kv, а кај поновите ТР-и е со номинален напон од 10.5 kv. Секундарната намотка има номинален напон од 115 kv. Заради поедноставување, во понатамошниот текст за сите авто-трансформатори ќе се користи референцата 400/110 kv трансформатори (ТР-и). C1-6I 1/8

MAKO CIGRE 2009 C1-6I 2/8 напоните (во пракса овој тип на регулација не е никогаш употребен и се покажал како непрактичен). Двата трансформатори во ТС Скопје 5 се во паралелна работа, со што се ограничува примената на АРПТ на вториот трансформатор. Скопскиот и штипскиот регион се големи електрични конзумни центри кои се карактеризираат со напонски профил понизок од номиналните 110 kv и зголемени загуби на активна моќност и енергија. Оттука, се наметнува дилемата каде треба да се лоцираат двата 400/110 kv трансформатори опремени со АРПТ за да имаат максимален ефект врз квалитетот на работата на преносната мрежа. 2 МЕТОДОЛОГИЈА Зависно од типот на анализите се користат модели со различно ниво на детали и степен на изграденост на мрежата. Во оваа анализа се разгледува типичен режими на врвни оптоварувања и постојна конфигурација на мрежата. Избран е режим на работа на ЕЕС типичен за периодот на врвни оптоварувања во зимскиот период, бидејќи овој режим се одликува со понизок напонски профил во преносната мрежа, зголемени загуби на моќност и висока оптовареност на водовите. Од друга страна, изборот на оптимална локација на двата 400/110 kv авто-трансформатори опремени со АРПТ, влијае токму на подобрување на овие мрежни параметри. За анализите се користи софтверскиот пакет PSS E, производ на SIEMENS, PTI. PSS E претставува целосно интегрирана и интерактивна програма која се користи за симулација, анализа и оптимизација на ЕЕС. Пресметка на текови на моќности и напонски прилики во стационарни услови за нормални работни режими на преносниот систем опфаќа: оптоварување на водовите и трансформаторите; напонски профил на мрежата; производство на активна и реактивна моќност на изворите; загуби на активна моќност во македонскиот систем. Покрај класичните Load Flow пресметки, дополнително е извршена оптимизација на тековите на моќности и напонските прилики; пресметката е позната како OPF Optimal Power Flow. PSS E OPF претставува екстремно моќна алатка, која ја надминува традиционалната распределба на моќности и со чија помош може лесно да се оптимизира работата на електроенергетскиот систем. Овој модул од софтверскиот пакет ја подобрува ефикасноста и квалитетот на изработка на студиите со додавање на интелигенција во процесот на решавање на распределбата на моќностите. Додека конвенционалниот Load Flow се базира на разгледување на голем број на решенија пред да се добие задоволувачко решение, OPF директно ги менува управувачките променливи при што во најкусо можно време го одредува најдоброто решение. При тоа може да бидеме сигурни дека секогаш сме постигнале единствено и глобално оптимално решение, решение кое симултано ги задоволува системските ограничувања и ги минимизира трошоците или максимизира перформансите. Математички, проблемот на оптимизација претставува општ проблем на нелинеарно програмирање со скаларна функција на цел (во оваа анализа се минимизираат загубите на активна моќност) и нелинеарни ограничувања од типот на равенства и неравенства за режимските променливи или управувачките променливи (кирхофови закони, струјни и напонски ограничувања). Режимски променливи, или променливи на состојба, се величините кои го карактеризираат одреден работен режим на ЕЕС (напони во јазли, струи низ преносни елементи, фреквенција, агли на генераторските ротори итн.). Функцијата на цел се доведува до одреден оптимум со соодветен избор на вредноста на управувачките променливи (во оваа анализа тоа е преносниот однос на трансформаторите).

MAKO CIGRE 2009 C1-6I 3/8 При воведување на напонските ограничувања се користи модел на меко ограничување со линеарна пенализација. Тоа значи дека строгите граници на променливите се третираат на мек начин: при оптимизационата пресметка се дозволува напоните да добијат вредности кои отстапуваат од дефинираните граници. Математички ова се симулира така што на функцијата на цел се додава и линеарна казнена функција. Казнената функција има за цел да ги обесхрабри големите и бесцелни екскурзии надвор од дефинираните граници на напоните. Казнената функција има вредност нула доколку вредноста на напоните е во дефинираните граници. Линеарната форма овозможува поголем удел во целната функција на сосема малите отстапувања на напоните. слика 1. Меко ограничување со линеарна пенализација Значи, целта во оваа анализа е да се добијат минимални загуби на активна моќност во ЕЕС на Македонија, преку соодветен избор на преносниот однос на 400/110 kv трансформатори со АРПТ, при што треба да бидат запазени напонските граници за 110 kv јазли во преносната мрежа. Во принцип, под минимизација на загубите на активна моќност се подразбира таков режим на работа во кој се постигнува намалување на загубите во преносната мрежа преку оптимален возен ред на напони на производните единици. Со други зборови, напонскиот профил во мрежата и нивото на загуби на активна моќност се диктира преку оптимизација на генераторските напони како главни управувачки променливи. Дополнително, фино регулирање на напоните во одредени делови од системот се постигнува со правилен избор на преносниот однос на трансформаторите. Со оглед на тоа дека при управувањето на ЕЕС на Македонија сè уште не е посветено доволно внимание на оптимизација на напонско-реактивните прилики на ниво на производство, во анализата единствени управувачки променливи се АРПТ на двата трансформатори. Меѓутоа, ова занемарување не ја намалува вредноста на резултатите од пресметката; напротив, ефектот на правилен избор на локацијата и преносниот однос на двата трансформатори е многу поголем. Повеќе детали за различни алгоритми и методи за пресметка на оптимална распределба на моќности, како и корисни совети за користење на PSS TM E OPF може да се најдат во [2].

MAKO CIGRE 2009 C1-6I 4/8 3 ОПТИМИЗАЦИЈА 3.1 Основно сценарио: 400/110 KV ТР-и немаат АРПТ Основното сценарио ги содржи следните претпоставки: Во ТС Скопје 5 има два 400/110 kv трансформатори, едниот нема можност за регулација под товар а другиот е опремен со АРПТ (ова е всушност актуелната состојба во ТС Скопје 5). Новата 400/110 kv ТС Штип е пуштена во работа. Во ТС Штип е инсталиран еден 400/110 kv трансформатор со АРПТ (според првичните планови од проектот за интерконективно поврзување на Македонија и Бугарија). И кај двата трансформатори не се користи АРПТ. Сите 400/110 kv трансформатори во ЕЕС на Македонија се поставени на номинален преносен однос (регулациониот отцеп е на позиција R = 0). Загубите на активна моќност во основното сценарио се ΔP = 34.11 MW. Напоните во 110 kv мрежа во скопски регион се движат во граници од 107.2 kv во ТС Козле до 108.8 kv во ТС Скопје 4. Напонот на 110 kv собирници во ТС Скопје 1 е 107.8 kv. Напоните во 110 kv мрежа во штипски регион се движат во граници од 107.6 kv во ТС Делчево до 111.9 kv во ТС Штип. Основното сценарио служи за споредба на карактеристиките на испитуваните варијанти во оваа анализа. Во случај кога во ТС Скопје 5 се наоѓаат два 400/110 kv ТР-и од кои едниот има АРПТ, а другиот нема АРПТ, не е можно активирање на автоматската регулација на преносниот однос. Според [4], не се препорачува паралелна работа на трансформатори со различен преносен однос. Имено, при промена на преносниот однос на ТР со АРПТ доаѓа до протекување на струја на урамнотежување меѓу двата трансформатори и несиметрично оптоварување на трансформаторите. На пример, кога отцепот за регулација на трансформаторот со АРПТ се помести за само еден чекор (R = 1), тој трансформатор се оптоварува дополнително за 30-тина MVAr во однос на другиот. Активирање на АРПТ е можно доколку трансформаторите во ТС Скопје 5 работат на раздвоени 110 kv собирници, меѓутоа тогаш се намалува доверливоста на постројката и многукратно се усложнува нејзиното управување. 3.2 Варијанта 1: 400/110 KV ТР во ТС Штип има АРПТ Во оваа варијанта активна е автоматската АРПТ само кај трансформаторот во ТС Штип. При OPF пресметката, напонските граници за 110 kv јазли во штипскиот регион се дефинирани од 98% до 110% од U n. За останатите јазли од преносната мрежа применета е вообичаена толеранција на напоните од ±10% од U n. OPF пресметката покажува дека оптимална состојба се добива при позиција на отцепот R = 1. Притоа, скоро и да нема намалување на загубите на активна моќност, кои во случајов изнесуваат ΔP = 34.06 MW. Тоа значи дека во штипскиот регион се постигнува добар напонски профил и при номинален преносен однос на 400/110 kv трансформатор. 3.3 Варијанта 2: Двата 400/110 KV ТР-и во ТС Скопје 5 имаат АРПТ Варијантата 2 предвидува лоцирање на двата 400/110 kv трансформатори со АРПТ во ТС Скопје 5 и префрлање на постојниот трансформатор кој нема АРПТ од ТС Скопје 5 во ТС Штип. При OPF пресметката, напонските граници за сите 110 kv јазли во преносната мрежа на Македонија се дефинирани од 98% до 110% од U n. Заради постигнување на математичка

MAKO CIGRE 2009 C1-6I 5/8 конвергенција на пресметката, овие граници за полошкиот и струмичкиот регион се релаксирани на прифатлива вредност од 90% до 110% од U n, а за јазлите во Охрид и Ресен долната граница е поместена на 97%. Во секој случај, напонските ограничувања се построги во однос на варијанта 1. OPF пресметката покажува дека оптимална состојба се добива при позиција на отцепот R = 5 1.25%. Притоа, загубите на активна моќност се намалуваат за околу 0.3 MW и изнесуваат минимални ΔP = 33.78 MW. Промената на преносниот однос на двата 400/110 kv трансформатори во ТС Скопје 5 предизвикува прераспределба на тековите на реактивна моќност низ мрежата: низ двата трансформатори реактивните моќности од околу 2 65 MVAR се зголемуваат на 2 130 MVAR, тековите низ 400 kv ДВ Скопје 4 Скопје 5 се зголемуваат за околу 100 MVAR, се намалуваат реактивните текови низ ТР-ите во ТС Скопје 4 за 2 40 MVAR, се намалуваат тековите кон Косово за 30-тина MVAR. Зголеменото реактивно оптоварување на трансформаторите се должи на промената на преносниот однос и подобрените напонски прилики на 110 kv собирници, слика 3. Најголем пораст на напоните се забележува во 110 kv јазли во скопски регион, табела 1. Промената на преносниот однос на трансформаторите во ТС Скопје 5 позитивно се одразува и на напоните во тетовскиот и кумановскиот регион. Покачувањето на напоните во 110 kv мрежа е проследено со мал пад на напонот на 400 kv ниво; во ТС Скопје 5 напонот од 386 kv се намалува на 383 kv (за 0.7%). Како дополнителна илустрација за подобрување на напоните во скопскиот регион, на слика 2 е прикажана спектралната анализа на напонскиот профил пред и после активирање на АРПТ. табела 1. 110 kv јазли со најголеми промени после активирање на АРПТ во ТС Скопје 5 Трансформаторска станица Un (kv) ΔU (%) ΔU (kv) AERODROM 110 1.5% 1.7 V.GLAVINOV 110 3.4% 3.7 VRUTOK 220 1.8% 3.9 G.BABA 110 3.4% 3.7 G.PETROV 110 2.8% 3.1 ZAPAD 110 1.7% 1.9 ZLZ-SVR 110 3.4% 3.7 ISTOK 110 1.5% 1.7 JUG NOVA 110 1.5% 1.7 JUGOHROM 110 1.4% 1.5 KOZLE 110 1.7% 1.9 KRATOVO 110 1.5% 1.6 K.PALANKA 110 1.5% 1.6 KUMANOVO 1 110 2.3% 2.5 KUMANOVO 2 110 2.2% 2.4 POLOG 110 1.4% 1.5 RAFINERIJA 110 1.9% 2.1 SK 1 110 3.3% 3.7 SK 1 220 2.4% 5.3 SK 2 110 1.5% 1.7 SK 3 110 1.7% 1.9 SK 4 110 1.5% 1.6 TETOVO 1 110 2.0% 2.2 TETOVO 2 110 2.0% 2.2 USJE 110 1.5% 1.7

MAKO CIGRE 2009 C1-6I 6/8 90% Un 105% Un слика 2. Споредба на напоните во преносната мрежа пред и после активирање на регулацијата на авто-трансформаторите во ТС Скопје 5

MAKO CIGRE 2009 C1-6I 7/8 слика 3. Напонски профил и текови на моќности во скопски регион за варијанта 2. 400/110 kv ТР-и во ТС Скопје 5 имаат АРПТ. Отцеп R = -5 1.25% 4 ЕКОНОМСКА АНАЛИЗА За реализација на варијанта 2 новиот трансформатор треба наместо во ТС Штип да се испорача директно во ТС Скопје 5, а постојниот трансформатор без АРПТ да се демонтира и од ТС Скопје 5 да се префрли во ТС Штип. Со други зборови, од првично предвидениот зафат според плановите од проектот за интерконективно поврзување на Македонија и Бугарија, дополнително се јавуваат трошоци за демонтажа и монтажа на еден трансформатор во ТС Скопје 5 и подолга рута за транспорт. Трошоците за транспорт на 400/110 kv трансформатор приближно изнесуваат 1 000 /km, додека трошоците за монтажа и демонтажа на трансформаторот изнесуваат околу 40 000. Намалувањето на загубите на активна моќност во режим на врвни оптоварувања во варијанта 2 е δδp = 0.3 MW. Намалените загуби на електрична енергија на годишно ниво δδw може да се проценат според равенката: δδw = δδp τ, max каде што τ е време на максимални загуби и изнесува околу 3 300 часови. Заштедите од намалените загуби ΔC се пресметуваат според релацијата: ΔC = cδw δ ΔW, каде што c ΔW е цена на загуби на електрична енергија. Според новиот Закон за енергетика, електричната енергија за покривање на загубите во преносната мрежа МЕПСО ја купува од ЕЛЕМ според регулирана цена која изнесува околу 31 /MWh. Тоа значи дека заштедите на МЕПСО од варијанта 2 се околу 30 000 /годишно и трошоците за реализација на зафатот предвиден во оваа варијанта ќе бидат исплатени за околу две години.

MAKO CIGRE 2009 C1-6I 8/8 Всушност, намалените загуби на електричната енергија ќе доведат до намалување на увезената енергија од страна на ЕЛЕМ. Ако се претпостави дека пазарната цена на електричната енергија е околу 80 /MWh, тоа значи дополнителна заштеда од околу 50 000 /годишно. 5 ЗАКЛУЧОК Оптимизационата пресметка покажува дека најповолно решение е да се лоцираат двата 400/110 kv трансформатори опремени со АРПТ во ТС Скопје 5, а во ТС Штип да се пренесе и инсталира 400/110 kv трансформатор кој нема АРПТ. Иако ова решение се разликува од првичниот план од проектот за интерконективно поврзување на Македонија и Бугарија и бара дополнителни трошоци за реализација, подобрувањето на техничките перформанси на преносната мрежа ќе доведат до заштеди кои ќе ги компензираат трошоците. Во скопскиот дел од преносната мрежа потребна е локална поддршка и регулација на напоните во 110 kv јазли која ефикасно се реализира со активирање на АРПТ кај 400/110 kv трансформатори во ТС Скопје 5. Во источна Македонија, со градбата на 400/110 kv ТС Штип и употреба на трансформатор со номинален преносен однос, значително се подобрува напонската состојба и се добива оптимален 110 kv напонски профил. Бидејќи овој трансформатор има можност за регулација во безнапонска состојба со чекор ±2 2.5%, по потреба, дополнително може да се оствари сезонска промена на преносниот однос. Примената на оптимизационите методи, постапки и алгоритми е незаобиколен дел од процесите на планирање, експлоатација и управување на модерните ЕЕС-и. На крај заслужува да се нагласи дека во МЕПСО за првпат се користи OPF модулот од програмскиот пакет PSS TM E што допринесува за посебен квалитет на оваа анализа. 6 ЛИТЕРАТУРА [1] К.Наумоски, А.Пауноски, Избор на оптимална локација на 400/110 kv авто-трансформатори во ЕЕС на РМ. АД МЕПСО Скопје, јануари 2009, Скопје. [2] А.J.Пауноски, Оптимизација на напонско-реактивни прилики во ЕЕС со низок напонски профил, магистерска работа, ФЕИТ Скопје, 2008 година, Скопје. [3] S.Pavlovski, K.Naumoski, A.Paunoski, Analysis of new interconnection Chervena Mogila - (Shtip) - Dubrovo, JSC MEPSO and ESO-EAD, October 2008. [4] H.Požar, Visokonaponska rasklopna postrojenja,, Tehnička Kniga Zagreb, drugo izdanje.