Введение

Последний этап поставки электроэнергии отдельным потребителям в электросети

Распределение электроэнергии является заключительным этапом доставки электроэнергии. Электричество передается из системы передачи к отдельным потребителям. Распределительные подстанции подключаются к системе передачи и понижают напряжение передачи до среднего напряжения в диапазоне от 2 до 33 кВ с помощью трансформаторов. Выключатели и разъединители позволяют отключить подстанцию от сети передачи или отключить распределительные линии. Трансформаторы понижают напряжение передачи, 35 кВ и выше, до первичного распределительного напряжения. Это средневольтные цепи, обычно 600 В. От трансформатора электроэнергия поступает на шины, которые могут разделять распределяемую мощность в нескольких направлениях. Шины распределяют электроэнергию по распределительным линиям, которые расходятся к потребителям. Городское распределение в основном подземное, иногда в общих кабельных каналах. Сельское распределение преимущественно воздушное, с использованием опор линий электропередачи, а пригородное – смешанное. Обе системы вытеснили газовое освещение, при этом дуговое освещение стало основным для больших площадей и уличного освещения, а лампы накаливания заменили газовые фонари для коммерческих и жилых пользователей. Высокое напряжение, используемое в дуговом освещении, позволяло одной электростанции питать цепочку светильников длиной до 11 км. И каждое удвоение напряжения позволяло одному и тому же кабелю передавать то же количество энергии в четыре раза дальше, чем при более низком напряжении (при тех же потерях мощности). В отличие от этого, системы внутреннего освещения постоянным током, такие как первая электростанция Эдисона, установленная в 1882 году, испытывали трудности с обеспечением электроэнергией потребителей на расстоянии более 1,6 км, поскольку они использовали низкое напряжение (110 В) от генерации до конечного использования. Низкое напряжение приводило к большему току и требовало толстых медных кабелей для передачи. На практике электростанции постоянного тока Эдисона должны были располагаться в пределах примерно 2 км от самого удаленного потребителя, чтобы избежать использования еще более толстых и дорогих проводников.

Введение трансформатора

Проблема передачи электроэнергии на большие расстояния стала признанным инженерным препятствием для распределения электроэнергии, и многие неудовлетворительные решения были протестированы осветительными компаниями. Но в середине 1880-х годов произошел прорыв с разработкой функциональных трансформаторов, которые позволили "повышать" напряжение переменного тока для передачи до гораздо более высокого уровня, а затем понижать его до более низкого напряжения вблизи конечного потребителя. По сравнению с постоянным током, переменный ток обеспечивал значительно более низкие затраты на передачу и большую экономию за счет масштаба – крупные электростанции переменного тока могли снабжать целые города и регионы, что привело к быстрому распространению переменного тока. В США конкуренция между постоянным и переменным током приобрела личный характер в конце 1880-х годов в форме "войны токов", когда Томас Эдисон начал критиковать Джорджа Уэстингхауса и его разработку первых американских систем переменного тока, акцентируя внимание на смертельных случаях, вызванных высоковольтными системами переменного тока за годы их эксплуатации, и утверждая, что любая система переменного тока по своей сути опасна. Пропагандистская кампания Эдисона была недолгой, и его компания перешла на переменный ток в 1892 году. Переменный ток стал доминирующей формой передачи энергии благодаря инновациям в Европе и США в области конструкции электродвигателей и разработке стандартизированных систем, позволяющих подключать большое количество устаревших систем к крупным сетям переменного тока. В первой половине 20-го века во многих странах электроэнергетическая отрасль была вертикально интегрирована, то есть одна компания осуществляла генерацию, передачу, распределение, учет и выставление счетов. Начиная с 1970-х и 1980-х годов, страны начали процесс дерегулирования и приватизации, что привело к формированию рынков электроэнергии. Система распределения оставалась регулируемой, а генерация, розничная торговля и иногда передача были преобразованы в конкурентные рынки.

Производство и передача

Электрическая энергия начинается на генерирующей станции, где разность потенциалов может достигать 33 000 вольт. Обычно используется переменный ток. Пользователи больших объемов постоянного тока, такие как некоторые системы электрификации железных дорог, телефонные станции и промышленные процессы, например, при плавке алюминия, используют выпрямители для получения постоянного тока из общедоступной сети переменного тока или могут иметь собственные системы генерации. Высоковольтный постоянный ток может быть полезен для изоляции сетей переменного тока или управления количеством передаваемой электроэнергии. Например, компания Hydro Québec имеет линию постоянного тока, проходящую из региона Джеймс-Бей в Бостон. От генерирующей станции электроэнергия поступает на распределительное устройство станции, где повышающий трансформатор увеличивает напряжение до уровня, подходящего для передачи – от 44 кВ до 765 кВ. Попав в систему передачи, электроэнергия от каждой генерирующей станции объединяется с электроэнергией, произведенной в других местах. Электроэнергия потребляется практически сразу после ее производства. Она передается с очень высокой скоростью, близкой к скорости света.

Первичное распределение

Первичные распределительные напряжения варьируются от 4 кВ до 35 кВ между фазами (от 2,4 кВ до 20 кВ между фазой и нейтралью). Непосредственно от распределительных напряжений питаются только крупные потребители; большинство потребителей электроэнергии подключены к трансформатору, который понижает распределительное напряжение до низкого напряжения, используемого в системах освещения и внутренней электропроводки – так называемого "напряжения использования", "напряжения питания" или "сетевого напряжения".

Конфигурация сети

Распределительные сети делятся на два типа: радиальные и сетевые. Радиальная система организована как дерево, где каждый потребитель имеет один источник электроснабжения. Сетевая система имеет несколько источников питания, работающих параллельно. Точечные сети используются для сосредоточенных нагрузок. Радиальные системы обычно применяются в сельской местности или в пригородах. Радиальные системы, как правило, включают резервные соединения, позволяющие переконфигурировать систему в случае проблем, таких как повреждение или плановое техническое обслуживание. Это достигается путем включения и отключения коммутационных аппаратов для изоляции определенного участка от сети. Длинные линии электропередачи подвержены падению напряжения (искажению коэффициента мощности), что требует установки конденсаторных батарей или регуляторов напряжения. Реконфигурация, осуществляемая путем изменения функциональных связей между элементами системы, является одним из важнейших мероприятий, способных повысить эксплуатационные характеристики распределительной сети. Задача оптимизации посредством реконфигурации системы распределения электроэнергии, по определению, исторически является задачей с одной целевой функцией и ограничениями. С 1975 года, когда Мерлин и Бэк предложили идею реконфигурации распределительной системы для снижения потерь активной мощности, и по сей день, множество исследователей предложили различные методы и алгоритмы для решения задачи реконфигурации как задачи с одной целевой функцией. Некоторые авторы предложили подходы, основанные на оптимальности Парето (включая потери активной мощности и показатели надежности в качестве целевых функций). Для этого использовались различные методы, основанные на искусственном интеллекте: микрогенетический алгоритм, метод обмена ветвей, оптимизация роем частиц и не доминирующий генетический алгоритм.

Сельские услуги

Сельские системы электроснабжения, как правило, используют более высокие напряжения распределения из-за больших расстояний, охватываемых линиями распределения (см. Управление по электрификации сельских районов). Распределение на напряжениях 7.2, 12.47, 25 и 34.5 кВ распространено в Соединенных Штатах; 11 кВ и 33 кВ – в Великобритании, Австралии и Новой Зеландии; 11 кВ и 22 кВ – в Южной Африке; 10, 20 и 35 кВ – в Китае. Иногда используются и другие напряжения. Сельские службы обычно стремятся минимизировать количество столбов и проводов. Использование более высоких напряжений (по сравнению с городским распределением) позволяет применять оцинкованную стальную проволоку. Прочная стальная проволока обеспечивает возможность установки столбов на большем расстоянии друг от друга, что снижает стоимость. В сельской местности трансформатор, установленный на столбе, может обслуживать только одного потребителя. В Новой Зеландии, Австралии, провинции Саскачеван (Канада) и Южной Африке для электроснабжения удаленных сельских районов используются системы с однопроводным заземленным возвратом (SWER). Трехфазное питание используется для крупных сельскохозяйственных предприятий, нефтеперекачивающих станций, водоочистных сооружений или других потребителей с большими нагрузками (трехфазным оборудованием). В Северной Америке воздушные распределительные сети могут быть трехфазными, четырехпроводными, с нейтральным проводником. Сельские распределительные системы могут иметь протяженные участки с одним фазным проводником и нейтралью. В других странах или в особенно отдаленных сельских районах нейтральный проводник подключается к земле, чтобы использовать ее в качестве обратного проводника (система с однопроводным заземленным возвратом).

Вторичное распределение

Электричество подается с частотой 50 или 60 Гц, в зависимости от региона. Для бытовых потребителей оно подается в виде однофазного электричества. В некоторых странах, таких как страны Европы, для крупных объектов может быть доступна трехфазная система. При наблюдении на осциллографе, бытовое электроснабжение в Северной Америке выглядит как синусоидальная волна, колеблющаяся между -170 и 170 вольт, что дает эффективное напряжение 120 вольт RMS. Трехфазное электричество более эффективно с точки зрения передаваемой мощности на единицу кабеля и лучше подходит для работы мощных электродвигателей. Некоторые крупные европейские приборы, такие как электрические плиты и сушильные машины, могут питаться от трехфазного тока. Заземление обычно предусмотрено как для системы потребителя, так и для оборудования, принадлежащего энергоснабжающей компании. Цель заземления системы потребителя – ограничить напряжение, которое может возникнуть при падении проводов высокого напряжения на провода низкого напряжения, обычно расположенные ниже, или при возникновении неисправности в распределительном трансформаторе. Системы заземления могут быть TT, TN-S, TN-C-S или TN-C.

Системы 220 и 240 В

Большая часть мира использует 50 Гц, 220 или 230 В однофазные, или 400 В трехфазные сети для бытовых и небольших промышленных нужд. В этой системе первичная распределительная сеть питает несколько подстанций на определенной территории, а мощность 230 В / 400 В от каждой подстанции напрямую распределяется конечным потребителям в пределах радиуса, как правило, менее 1 км. Для трехфазного подключения к зданию подключаются три фазных (токоведущих) провода и нейтраль. Однофазное распределение, с одним фазным проводом и нейтралью, используется в жилых помещениях при небольших суммарных нагрузках. В Европе электроэнергия для промышленности и бытовых нужд обычно распределяется по трехфазной четырехпроводной системе. Это обеспечивает фазное напряжение 400 В по схеме «звезда» и однофазное напряжение 230 В между любой фазой и нейтралью. В Великобритании типичная городская или пригородная подстанция низкого напряжения обычно имеет мощность от 150 кВА до 1 МВА и обеспечивает электроэнергией целый район, состоящий из нескольких сотен домов. Трансформаторы обычно рассчитываются на среднюю нагрузку от 1 до 2 кВт на домохозяйство, а предохранители и кабель рассчитаны на то, чтобы любой объект мог потреблять пиковую нагрузку, возможно, в десять раз превышающую эту величину. Для промышленных потребителей также доступны трехфазные сети 690 / 400 В, либо они могут быть сгенерированы локально. Крупные промышленные потребители имеют собственные трансформаторы с входным напряжением от 11 кВ до 220 кВ.

Системы 100-120 вольт

Большинство стран Америки используют переменный ток частотой 60 Гц, 120/240-вольтовую систему с разделенными фазами для бытового использования и трехфазную систему для крупных установок. В Северной Америке трансформаторы обычно обеспечивают питание домов напряжением 240 вольт, что аналогично 230 вольтам в Европе. Именно разделение фаз позволяет использовать напряжение 120 вольт в домах. В электроэнергетическом секторе Японии стандартным напряжением является 100 В, при этом используются частоты переменного тока 50 и 60 Гц. В некоторых частях страны используется 50 Гц, а в других – 60 Гц. Это пережиток 1890-х годов. Некоторые местные поставщики в Токио импортировали немецкое оборудование на 50 Гц, в то время как местные энергоснабжающие компании в Осаке ввозили генераторы на 60 Гц из Соединенных Штатов. Сети расширялись, пока вся страна не была подключена к электроснабжению. Сегодня частота составляет 50 Гц в восточной Японии (включая Токио, Йокогаму, Тохоку и Хоккайдо) и 60 Гц в западной Японии (включая Нагою, Осаку, Киото, Хиросиму, Сикоку и Кюсю). Большинство бытовых приборов рассчитаны на работу при любой из этих частот. Проблема несовместимости привлекла внимание общественности, когда землетрясение и цунами в Тохоку в 2011 году привели к отключению около трети мощностей востока, и электроэнергией с запада нельзя было полностью поделиться с востоком, поскольку в стране отсутствует единая частота.

240-вольтные системы и 120-вольтные выходы

Большинство современных домов в Северной Америке подключены к сети, принимающей 240 вольт от трансформатора, и благодаря использованию двухфазной электрической системы могут иметь как розетки на 120 вольт, так и на 240 вольт. 120 вольт обычно используются для освещения и большинства розеток. Цепи на 240 вольт обычно используются для приборов, требующих большой мощности, таких как духовки и обогреватели. Они также могут использоваться для питания зарядного устройства для электромобиля.

Современные системы распределения

Традиционно распределительные сети функционировали как простые линии распределения, по которым электроэнергия от сетей передачи распределялась между потребителями. Современные распределительные сети тесно интегрированы с генерацией из возобновляемых источников на уровне распределения электроэнергии, посредством распределённых источников генерации, таких как солнечная и ветровая энергия. В результате распределительные сети становятся всё более независимыми от сетей передачи. Поддержание баланса между спросом и предложением в этих современных распределительных сетях (иногда называемых микросетями) представляет собой сложную задачу, требующую применения различных технологических и эксплуатационных решений. К таким решениям относятся накопители энергии на основе аккумуляторов, аналитика данных, инструменты оптимизации и другие.