12.1. Первые шаги по объединению

В первые годы развития электротехники считалось необходимым для каждого потребителя иметь отдельный генератор. В 1876 г. Яблочков, соединив последовательно несколько изобретенных им «свечей», предложил первое решение «проблемы деления света», то есть питания нескольких потребителей от одного источника энергии. Отсюда уже стало понятным направление перехода к производству электрической энергии на центральных электростанциях.

Предложенная Эдисоном трехпроводная система постоянного тока дала возможность весьма значительно увеличить радиус снабжаемого района: одна станция могла уже обслуживать часть города или даже небольшой город.

С изобретением трансформаторов и развитием техники высоких напряжений появилась возможность широко использовать одно из главных преимуществ электричества перед другими видами энергии – сочетать централизацию производства с децентрализацией потребления. Результатом явились так называемые районные электрические станции, питающие уже не отдельные города, а целые области весьма значительного протяжения.

Впервые попытка соединения электрических сетей, питаемых разными центральными станциями, для совместной работы была предпринята в 1892 г. в Швейцарии, когда произошло первое известное объединение двух электростанций трехфазного переменного тока, обеспечившее синхронную (параллельную) работу генераторов на общую электрическую сеть. Две небольшие электростанции – в Глэдфельдене и Гохфельдене – были соединены двухкилометровой линией 5 кВ и питали распределительную сеть завода фирмы «Эрликон» по линии передачи протяженностью 24 км при напряжении 13 кВ. Возбуждение генераторов первой станции регулировалось со щита управления второй.

Так была создана первая техническая электроэнергетическая система. В дальнейшем за подобными системами утвердилось название «энергосистема», что было связано с тем, что с 20-х годов XX века на тепловых электростанциях (теплоэлектроцентралях – ТЭЦ) стали широко применять комбинированное производство электрической и тепловой энергии. Последняя в виде горячей воды и пара стала поставляться промышленным и коммунальным потребителям по тепловым сетям.

Энергосистема как объект техники представляет собой комплекс источников электроэнергии (генераторов), соединенных с помощью общей электрической сети с приемниками электрической энергии, а также между собой. Поскольку процессы производства, пересылания и использования электроэнергии протекают одновременно, для энергосистемы характерен высокий уровень централизованного управления процессами, которое направлено в первую очередь на поддержание баланса между произведенной и использованной энергией, а также на обеспечение качества энергии по напряжению, частоте и другим параметрам.

К комплексу объектов, входящих в энергосистему, относятся объекты, оперативное управление которыми осуществляется из единого диспетчерского центра (управление может осуществляться как непосредственно из центра, так и через определенную иерархическую структуру управления).

В последующее десятилетие после первого опыта создания энергосистемы «Эрликон» в Швейцарии процесс объединения электростанций еще не получил заметного развития. Только с возникновением крупных районных электростанций, особенно после 1900 г., этот процесс стал определяющим для прогресса электроэнергетики. Энергетические системы прежде всего создавались в крупных промышленных и густонаселенных районах. Естественно, географическое положение этих районов также накладывало свой отпечаток на формирование энергетических систем.

В начале ХХ века первые шаги по объединению электрических сетей для параллельной работы были предприняты и в США. К 1905 г. там уже работали три крупных для того времени энергетические системы Южно-Калифорнийская, системы в районе Сан-Франциско и в штате Юта. Первая из этих систем (компания Эдисона) объединяла четыре гидравлические и четыре тепловые станции с общей установленной мощностью около 12 МВт. Сеть этой системы напряжением 2–30 кВ имела общую протяженность 960 км и охватывала 18 городов. В системе применялись синхронные компенсаторы для регулирования напряжения в электрической сети. В последующие 10 лет рост энергосистем США интенсивно продолжался. Например, энергосистема четырех южных штатов США (Джорджия, Северная Каролина, Южная Каролина и Теннеси) к 1914 г. уже объединила электростанции суммарной мощностью 230 МВт и простиралась с востока на запад на 1500 км. Уже в 1924 году был создан Комитет по объединению энергосистем северо-восточной части США (Northeastern Superpower Committee), занявшийся вопросами создания сверхмощной электроэнергетической системы в общегосударственном масштабе.

В Европе первой страной, которая в 1906 г. осуществила параллельную работу двух промышленных электростанций, питающих целую сеть потребителей, стала Италия. Именно это событие многие специалисты считают моментом зарождения первой полноценной энергосистемы. Несколько обществ, владевших сетями в области Ломбардия, пришли к соглашению относительно совместной работы этих сетей. Несмотря на полное отсутствие эксплуатационного опыта, удалось довольно быстро справиться с возникшими при включении на параллельную работу техническими затруднениями. Полученный таким образом опыт оказался для Италии, вступившей в число воюющих держав и вынужденной для мобилизации своей промышленности чрезвычайно усилить производство гидроэлектрической энергии, в высшей степени плодотворным. Однако окончательное соединение крупных электрических сетей Италии произошло уже после окончания первой мировой войны, в период поразившей страну засухи. Только энергичные меры, предпринятые обществами, производящими электрическую энергию, по объединению всех крупнейших гидроэлектрических станций и электрических сетей Италии в единую электроэнергетическую систему, позволили спасти страну от этого стихийного бедствия. Электротехническое сообщество Италии вышло из этого испытания с твердым убеждением в недопустимости несогласованного использования отдельных источников электрической энергии в будущем. Энергосистема Италии развивалась стремительными темпами, и к 1924 г. суммарная мощность электростанций, вошедших в состав энергосистемы, уже достигла 55 МВт.

Основной причиной развития электрификации во всех странах в начальный период была необходимость бесперебойного электроснабжения потребителей. Работающие изолированно электростанции и даже их группы, связанные между собой электрическими сетями, но не имеющие надежных межгрупповых электрических связей, не могли оказывать при аварийных ситуациях взаимопомощи и, как следствие, обеспечивать бесперебойность электроснабжения. Мощным экономическим стимулом для создания и последующего укрупнения энергосистем также стала возможность концентрации производства электроэнергии, допускающая повышение единичных мощностей энергооборудования и приводящая к наиболее рациональному расходованию первичных энергоресурсов, а также к снижению себестоимости электроэнергии.

Энергетические системы в своем развитии проделали сложный путь и накопили большой опыт в построении как отдельных частей, так и энергосистемы в целом. В процессе эксплуатации энергосистем отсеивались все технически несовершенные или неправильные решения и накапливался положительный опыт создания надежных схем электрои теплоснабжения потребителей, а также опыт получения дополнительных экономических эффектов от работы электростанций в составе энергетической системы.

Основные дополнительные эффекты, которые может обеспечить энергосистема, заключаются в следующем:

• при параллельной работе электростанций на общую сеть уменьшается необходимый резерв на каждой станции в отдельности, появляется возможность ремонта оборудования станций без отключения основных потребителей;
• создаются условия для выравнивания графика нагрузки так называемых базисных станций с целью более эффективного использования энергетических ресурсов;
• крупные энергосистемы позволяют наилучшим образом использовать установленную на электростанциях мощность при относительно низком резерве и широко использовать сезонные колебания мощности гидростанций;
• при значительных протяженностях систем в меридиальном и широтном направлениях становится возможным получение более равномерного графика нагрузки вследствие временных смещений пиков нагрузки (по поясам времени).