Проблемы и решения

• Работа возобновляемых источников энергии (ветер и солнце) обусловлена скорее погодными и климатическими условиями нежели потребностями пользователей, что делает управление и распределение электроэнергии еще более сложным. Как следствие, затрагивается стабильность сетей в части напряжения и частоты.
• Проблемы возникают и у тепловых электростанций, которые должны работать с максимальной полной нагрузкой. Тем не менее, учитывая изменения спроса и выработки электроэнергии от солнца и ветра, станции должны регулировать производство энергии довольно часто. Это приводит к потерям производительности и износу.
• Аккумулирование электроэнергии может решить обе проблемы.
• Среди различных доступных технологий для хранения электроэнергии, аккумуляторная (гальваническая) батарея получила наибольшее распространение.
• Однако аккумулятор - это источник постоянного тока, поэтому для его подсоединения к сети необходим преобразователь.
• Ansaldo Sistemi Industriali производит силовое оборудование и соответствующие системы управления, необходимые для регулирования аккумуляторов электроэнергии и гарантии соответствия параметров с национальной сетью.

Аккумуляторы электроэнергии - часть проекта ASI под названием Zeus

ZEUS: Локальные интеллектуальные сети

Локальные интеллектуальные сети (Micro Smart Grid) представляют собой электросистему связанных генераторов и нагрузок. Интеллектуальная электрическая сеть может представлять собой небольшую сеть,обслуживающую определенную территорию и не подсоединенную к другим сетям(напр. остров).
Локальная сеть контролируется интеллектуальной инфраструктурой (напр. Система управления электроэнергией), которая управляет энергопотоками.

Power Management System (PMS) или Система управления электроэнергией регулирует в режиме реального времени выработку и потребление электроэнергии.

Интеллектуальная электрическая сеть (Smart Grid) подразделяется на кластеры, как правило, по территориальному принципу Каждый кластер может работать в автономном режиме, если внешняя сеть не работает.

Локальные интеллектуальные сети

Решения для хранения электроэнергии

Главные характеристики аккумулятора

Система хранения электроэнергии может брать энергию из сети, когда наблюдается избыток её выработки, и наоборот, выдавать электроэнергию соразмерно
потребностям, в случае если наблюдается дефицит. Временная граница зарядки /разрядки может занимать секунды, минуты или часы. Поэтому система может работать по-разному:

• Снятие пиков нагрузки / временная манипуляция : система может хранить энергию, когда нагрузка сети мала, и выдавать электроэнергию во время пиков нагрузки. Стандартное применение: солнечная энергетика, ветровые станции для увеличения производительности.
• Балансирование : компенсация произвольного производства энергии от солнца/ветра ежесекундно/ежеминутно. Качество электроэнергии: система может осуществлять контроль над реактивной мощностью, независимо от активной мощности. Благодаря этому увеличивается линейный коэффициент мощности либо уменьшаются нежелательные гармоники в сети.
• Регулирование напряжения : устройство регулирования реактивной мощности может применяться оператором сети для обеспечения стабильности линейного напряжения.
• Регулирование частоты, первичный и вторичный резервы : специально выделенная функция управления соединяет активную мощность с линейной частотой автоматически. Оператор сети может использовать данную функцию для обеспечения работы оборудования в режиме «резерва» для регулирования частоты.
• Холодный пуск : система может также обеспечивать аварийный запуск из полностью обесточенного состояния. Аккумулятор через инвертор питает сеть после перебоя электроснабжения и позволяет, тем самым, сети работать в нормальном режиме.
• Первичный «резерв» для традиционных электростанций : оборудование работает параллельно с главным теплогенератором, обеспечивая их полную загрузку, поскольку необходимый «резерв» может быть предоставлен аккумулятором в течение одной минуты.

Решения для аккумулятора

Аккумулятор соединен с сетью посредством инвертора с активным фильтром; данное решение используется в солнечных и ветряных электростанциях. Зарядка / разрядка группы аккумуляторов контролируется DC/DC преобразователем.

Система базируется на решении PMS, собственность Ansaldo Sistemi Industriali:

DC/DC преобразователь

Зарядка / разрядка группы аккумуляторов контролируется отдельными DC/DC преобразователями, каждый из которых работает с группой аккумуляторов в
соответствии со схемой (В/ I) напряжения - тока, предоставленного производителем аккумуляторов. У каждой группы аккумуляторов есть BMS (система управления
аккумулятором). BMS соединена с системой Scada Artics Smat Energy компании. Стандартные кривые аккумулятора приведены ниже:

Система может взаимодействовать с различными типами аккумуляторов: литий-ионные, натриевые и прочие. Использование отдельного dc/dc контроллера для каждой группы аккумуляторов позволяет лучше управлять системой в оперативном режиме и достичь более высокой эффективности.
Каждая группа аккумуляторов может быть заряжена и разряжена с помощью отдельной логики управления с целью оптимизировать работу аккумулятора. Разница в работе среди различных видов аккумуляторов из-за неизбежных отклонений может быть компенсирована. Каждый dc/dc преобразователь связан с внутренней шиной постоянного тока преобразователя с активным фильтром. Стандартная внутренняя DC схема работает в диапазоне напряжения 0,6 -1 кВ, в зависимости от размеров и мощности системы хранения. Решение Ansaldo Sistemi Industriali предусматривает резервирование в группе аккумуляторов (напр. Каждая группа будет работать независимо от работы других групп аккумуляторов).

Инвертор с активным фильтром

	Интерфейс с сетью обеспечивается за счет связи инвертора с активным фильтром с отдельной системой управления, что позволяет отдельно регулировать активную и реактивную мощность. Специальный линейный фильтр чистит высокочастотные гармоники, не пропуская их в сеть.
	Напряжение фильтруется инвертором для удаления гармоник. Полный коэффициент гармонических искажений - в рамках допустимых значений (напр., не более 2%).

Контроль активной и реактивной мощности

Отдельные функции для контроля активной и реактивной
мощности

A): Данная функция привязывает активную мощность к частоте сети B): Коэффициент мощности как функция активной мощности. C): Реактивная мощность как функция напряжения сети.

Способность поддержания непрерывности
электроснабжения при сбоях (пример)

Первичное и вторичное регулирование частоты. Регулирование реактивной мощности для стабилизации напряжения в сети. Автоматическая параллельная работа в слабых сетях, запитанных от небольших дизель-электрических групп.

Инвертор с активным фильтром для слабых сетей

Возможности системы при коротком замыкании для того, чтобы защитные распределительные устройства успели включиться.

МОДУЛЬНЫЙ ИНВЕРТОР: мо щность 20 - 1000 кВт

ИНВЕРТОР В КОНТЕЙНЕРЕ: 500-750-1000-1500 кВт станции

Решение для хранения электроэнергии

Система аккумулятора в автономном режиме

Аккумуляторы в параллельном соединении на одной шине постоянного тока. Солнечная электростанция

КОММУНИКАЦИЯ: инвертор - станция - внешняя сеть

Валогенератор

Валогенератор - это особый синхронный генератор, приводимый в движение валом главной силовой установки; вращается на постоянных оборотах. Связь генератора и сети обеспечивается за счет инвертора с активным фильтром. Система используется во время навигации в режиме экономии топлива.

Сеть судна также питается от дизель-электрического генератора.
Сеть характеризуется малой установленной мощностью и может быть рассмотрена как Локальная Сеть, регулируемая Системой управления электроэнергии (PMS). Валогенератор должен обеспечивать питание сети в автономном или параллельном режиме с другими дизельными группами. Должны быть обеспечены следующие параметры:

Инвертор способен обеспечить первичное регулирование в части частоты и напряжения. Возможно также обеспечить вторичное регулирование с помощью точек, заданных PMS.

СМЕШАННАЯ ГЕНЕРАЦИЯ: ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОТ И СОЛНЕЧНАЯ

ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ ДЛЯ ОТДАЛЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

В отдаленных регионах сети могут быть изолированы от главных линий электропередач. Такие сети, как правило, работают в автономном «островном» режиме и питаются от генераторов различного типа, в т.ч. от дизель-электрических. Развитие возобновляемых источников энергии способствует развитию систем, способных работать на традиционных или экологически чистых видах топлива.

Новыми драйверами становятся высокая эффективность и энергосбережение. Пример: проект отдаленной насосной станции, где дизель генераторы работают параллельно с солнечными. Система включает в себя одну станцию для генерации энергии с помощью дизельных установок. Параллельно применяется генерация от солнечных панелей. Солнечная установка вырабатывает электроэнергию и пускает ее в сеть с помощью инвертора с активным фильтром. Такое решения позволяет экономить энергию и сократить выбросы углекислого газа, т.к. в дневные часы приоритет распределения отдается энергии, полученной от возобновляемых источников энергии.

СМЕШАННАЯ ГЕНЕРАЦИЯ: ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНАЯ И ПРИЛИВНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ (МАЛЫЕ ГЭС)

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И АККУМУЛЯЦИЯ

Солнечные установки, мощностной диапазон 1 - 10 МВт ч

ХРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Хранение электроэнергии в диапазоне от нескольких МВт до десятков МВт. Тип батареи: натриево-никелевые И литий-ионные.
Функциональность:

• Первичное и вторичное регулирование частоты
• Реактивная мощность: емкостной / индуктивный режим
• Возможность временного сдвига
• Ограничение пиковой нагрузки

ВЫВОДЫ

ASI может поставить необходимое технологическое оборудование, интегрировать его в систему, осуществлять управление большей частью энергетической цепочки.
Богатый опыт ASI в альтернативной энергетике и в создании устойчивых энергетических решений гарантирует:

• Разработку и внедрение гибких и эффективных технологических решений.
• Быстрый возврат инвестиций.
• Комплексный подход.
• Легкую интеграцию с автоматизацией здания и с беспроводными решениями для мониторинга.

Компания Schneider Electric является мировым экспертом в области управления электроэнергией и ведущим разработчиком и поставщиком комплексных энергоэффективных решений для энергетики и инфраструктуры промышленных предприятий, объектов гражданского и жилищного строительства, а также центров обработки данных. За 175 лет своего существования компании удалось занять лидирующую позицию в отрасли. Об одном из наиболее интересных направлений деятельности компании в области энергетики - Self Monitoring Analysis and Reporting Technology (Smart Grid) - нашему корреспонденту рассказал Константин Комиссаров, вице-президент, руководитель бизнес-подразделения «Инфраструктура» ЗАО «Шнейдер Электрик».

Константин Комиссаров, вице-президент, ЗАО «Шнейдер Электрик»

Могли бы вы в простых терминах, понятных для большинства технических специалистов широкого профиля, пояснить, что такое «умные сети»? Какие практические выгоды дает применение этих технологий?

«Умная сеть» позволяет повысить уровень бесперебойности и качество электроэнергии, оптимизировать затраты на эксплуатацию и, соответственно, повысить экономические показатели эксплуа­тирующей организации. С одной стороны, потребители должны получать качественную электроэнергию, с другой - эксплуатирующей организации должно стать удобнее работать.

Обычная сеть сложилась исторически, когда не было математического аппарата, позволяющего планировать развитие сети, когда требования к надежности и качеству электроэнергии оставались вопросом далекого будущего и считались не актуальными. С тех пор возникло много глобальных и оперативных факторов: появились ЦОДы, большие больницы, высотные здания, аэропорты. То есть, появились новые потребители, которые предъявляют исключительные требования к качеству и надежности электроэнергии. С другой стороны, разрастаются городские, промышленные конгломераты, возникают «пробки» в сети, соответственно, обслуживать их становится дороже. Сами сетевые предприятия - это компании, рентабельность бизнеса которых низка и регулируется государством. Снизить издержки, сделать сетевое предприятие экономически эффективным - та задача, которой не было 20–40 лет назад. Интеграция новых функций, которые прежде были неактуальны, - вот что такое «умная сеть». Это не дешевое удовольствие. Такая сеть сегодня, благодаря специальному оборудованию и методам математического моделирования, позволяет сделать то, что в прошлом выполнялось вручную: контроль учета, снижение технических и коммерческих потерь, планирование развития, оптимизация потоков мощности, оценка надежности и т. д.

Можно ли оценить в каких-либо цифрах экономический эффект от применения технологий Smart Grid с точки зрения экономии электроэнергии, повышения надежности электросетей и т. п.?

В целом интеграцию систем в Smart Grid можно отнести к проектам, которые имеют средне- и долгосрочный горизонт возврата инвестиций. Чтобы сделать сеть экономически эффективной и умной, необходим комплекс мероприятий. Надо начинать со специфики: есть относительно современные сети, есть промышленные, есть сети инфраструктурных объектов, и все они по-разному управляются. Поэтому достаточно сложно сразу оценить экономический эффект.

Чтобы все же не быть голословным, могу сказать, что у нас есть расчет внедрения такой системы для промышленных сетей мощностью 40 МВт, т. е. небольших сетей, которые состоят из одной подстанции 110–35 кВ, четырех подстанций 35–6 кВ и 40 подстанций 6–0,4 кВ. Мы получили инвестиции порядка $1 млн, и возврат вложений за счет снижения технических и коммерческих потерь составил пять-шесть лет. Но в городских условиях цифры будут совершенно другими. Это зависит от тарифов, штрафов, договоров с потребителями, отношений с поставщиками и т. д.

Если говорить о российской ситуации, то ее основное отличие от того, что делается в других странах, - разница в расчете окупаемости проектов. Например, в Италии был реализован ряд проектов в области управления распределительными сетями, и сегодня вся Италия управляется из нескольких центров. Проект дорогой, но срок окупаемости первой части составил менее полутора лет за счет того, что однозначно была просчитана экономия от снижения потерь и затрат ресурсов. На сегодня в России мы такой метод расчета применить не можем, потому что электроэнергию продают потребителю не сетевые компании. Потери нынешнего года фактически компенсируются тарифом следующего, тарифы регулируемы, и посчитать нормальный срок окупаемости, оптимизировать потери и этим окупить проект, невозможно. Создать более или менее внятное технико-экономическое обоснование проектов диспетчеризации и автоматизации в России крайне сложно. Все понимают, что это нужно, но внятное финансовое обоснование получить невозможно, соответственно, инвестиции, которые направляются в Smart Grid, являются вкладом в общее улучшение показателей сети, а не конкретным бизнес-проектом. Это, конечно, сильно тормозит интеллектуализацию сетей. Если бы у нас были другие методы формирования тарифов, расчета потерь и разграничения зоны ответственности между сетью и потребителем, то был бы возможен нормальный расчет сроков окупаемости, это придало бы значительный импульс отрасли.

Какая страна на сегодня является самой «продвинутой» с точки зрения применения Smart Grid?

Одной из самых прогрессивных в части внедрения Smart Grid на сегодня является Италия. Крупнейшая итальянская энергетическая компания ENEL - фирма публичная, ее акции торгуются на бирже. Поэтому эффективность работы оценивается потребителями. Они имеют влияние на работу компании, что стимулирует к внедрению инновационных технологий. После завершения ряда проектов по построению интеллектуальных сетей вся Италия управляется из нескольких диспетчерских центров. В этом есть и заслуга самой компании ENEL, пропагандирующей комплексный подход к инновационным внедрениям. Они смотрят на таких мировых лидеров рынка, как Schneider Electric, как на эксперта и технологического партнера. Это связано с тем, что внедрение Smart Grid максимально эффективно с применением оборудования, готового к интеграции в эту систему. Его произвести дешевле, чем купить обычное оборудование, привлечь интегратора, разработать новый проект, после чего провести модернизацию всей сети.

Пример ENEL - это успешный мировой опыт реализации комплексного проекта, который применим и для российских компаний. Безусловно, внедрение технологий Smart Grid для сетей, где оборудование эксплуатируется уже несколько десятков лет, - это дорогое удовольствие. Сами сетевые компании не могут позволить инвестировать значительные деньги в построение такой системы. Поддержка государства и государственное регулирование важно для внедрения «умных» сетей. В свою очередь, для вновь строящихся объектов, с учетом среднесрочной перспективы их развития, комплексный подход необходим еще на этапе создания концепции объекта.

В каком из исследовательских центров Schneider Electric изучается Smart Grid?

Прежде всего, нужно отметить исследовательские центры в Новом Саде (Сербия) и в Барселоне (Испания). В Гренобле есть совместный исследовательский центр с ERDF. Ну и, конечно, мы рассчитываем, что в ближайшее время таким центром станет Сколково.

Какие российские сетевые компании владеют технологией Smart Grid?

Что касается электросетевых предприятий, надо сказать, что, прежде всего, идеология строительства сетей была заложена советскими учеными-математиками. Энергетические компании развивают Smart Grid в процессе своей операционной деятельности - в их инвестиционных программах заложены вопросы увеличения надежности энергоснабжения и управляемости сетей, а это и есть «умная» энергетика. Иными словами, в России и, ранее, в СССР внедряли элементы Smart Grid в его сегодняшнем публичном понимании еще с момента образования единой энергосистемы.

Сейчас сетевые предприятия принимают во внимание коммерческий учет и телемеханику - устройство дистанционного управления сетью. Это связано с рядом причин. Во-первых, «пробки» уже совершенно другого размера, чем 30 лет назад, и, соответственно, требования к качеству, надежности сети и ее эффективности совершенно другие, требуется снижение эксплуатационных расходов. Во-вторых, в силу разветвленности сегодняшнюю сеть очень сложно обслуживать. Есть проблемы с набором сотрудников эксплуатационных служб. Если взять, к примеру, ведущие сетевые предприятия в России, то они имеют численность персонала, в три раза большую по сравнению с сопоставимыми подразделениями западных компаний. Smart Grid позволяет решить эти проблемы.

Есть ли примеры масштабного внедрения технологий Smart Grid в России?

Первые интеллектуальные распределительные сети в качестве пилотных проектов появились в Москве, Санкт-Петербурге и Казани, чуть позже в Иркутске. То есть у нас за плечами есть ряд успешно реализованных пилотных проектов, либо проектов, которые мы для себя считаем пилотными, но они включают несколько десятков сетевых сооружений, находятся в штатной эксплуатации, и мы набираем опыт работы по таким объектам. Один из таких проектов - пилотная зона, которую мы реализуем совместно с «Ленэнерго». Она включает в себя участок сети 6 кВ в исторической части Санкт-Петербурга. Задачи, которые мы ставили перед этим проектом, - подтвердить работоспособность предлагаемых решений и технологий, на реальном примере продемонстрировать возможность интеграции в сети Smart Grid не только современного оборудования, но и оборудования предыдущих поколений. Например, одна из подстанций в Санкт-Петербурге оснащена российским оборудованием 60-х годов прошлого века.

Нельзя не отметить проект в Сибири, где пионером по части внедрения технологии Smart Grid стала «Иркутская электросетевая компания». Филиал ИЭСК «Южные электрические сети» выступил заказчиком работ по проектированию системы и строительству двух диспетчерских пунктов, позволяющих управлять «умными» сетями. Компания Schneider Electric предоставила комплекс услуг по налаживанию «умной» сети, включая проектирование, поставку и монтаж оборудования, установку программного обеспечения и последующее сервисное обслуживание аппаратуры. Более того, мы провели обучение сотрудников «Южных электрических сетей» основам работы с новой технологией.

Говоря о проектах Smart Grid, нельзя не отметить важное событие в жизни Schneider Electric, которое расширило наши возможности в области интеллектуализации сетей. Это приобретение компании Telvent - мирового лидера в системах диспетчеризации и SCADA. На сегодня компания Schneider Electric реализует проекты по управлению распределительными сетями в целом, от поставок умного электрооборудования в трансформаторные подстанции до систем управления режимами в масштабах региона. Весь этот спектр мы способны закрыть собственными решениями, и такие проекты уже реализуются.

Оправдано ли привлечение зарубежных компаний к внедрению и развитию интеллектуальных сетей в России?

У зарубежных компаний существует опыт внедрения. С другой стороны, мы должны учитывать вопросы стратегической национальной безопасности. Энергетика относится именно к таким базовым отраслям, которые определяют безопасность существования государства. С одной стороны, необходимо использовать уже наработанный опыт зарубежных компаний. В то же время российские граждане должны быть уверены, что международный партнер «не свернет» свою деятельность и не уедет «обратно», оставив все здесь без технической поддержки. Это опасно - привозить решения компаний, которые не знают российских технических привычек, не имеют развернутой производственной базы и сервиса. Поэтому компания должна иметь сильное присутствие на российском рынке, заниматься поставкой, внедрением, разработкой.

Чувствуете ли вы понимание важности внедрения технологий Smart Grid со стороны российских органов власти?

На сегодня все понимают, что «умные сети» внедрять надо. Но пока в России создать внятное технико-экономическое обоснование внедрения Smart Grid достаточно сложно. Если на Западе Smart Grid и Smart Metering - неразрывные понятия, то в России окупить затраты на «умные сети» за счет снижения потерь или недоотпуска пока невозможно. Ситуация не изменится, пока не появятся государственные стандарты в области организации распределительных сетей и требования по телемеханике и диспетчеризации, соответствующие современным условиям развития городов. Так что понимание важности есть, а денег нет.

Необходимо ли предпринимать какие-то активные действия для популяризации идеи Smart Grid в России?

Если посмотреть на опыт других стран, то проекты, связанные с внедрением Smart Grid и управлением сетями, занимают не один год. Обычно это происходит по­этапно, в зависимости от установленного парка и бюджета. Если в России поменяется законодательная база и компании получат экономический стимул к внедрению данных технологий, то в течение десяти-пятнадцати лет можно будет заметить эффект от массового применения интеллектуальных технологий. Нужны активные действия на всех фронтах - от пропаганды до материального стимулирования, как, например, налоговые льготы при реализации долгосрочных проектов. То есть фактически нужно законодательно разрешить сетям при внедрении проектов Smart Grid получать возмещение либо в тарифе, либо в налоговых льготах.

Интеллектуализация существующей сети требует затрат, сопоставимых со строительством новой сети, притом что стоимость самого оборудования, программное обеспечение, работы при организации Green Field не будут превышать 10% от стоимости проекта. Поэтому при реализации новых планов строительства распределительной сети целесообразно изначально закладывать современные технические принципы. Такой подход будет более эффективным экономически по сравнению с традиционным, когда строится базовая сеть, которая спустя некоторое время оснащается интеллектом.

Schneider Electric была основана братьями Шнейдер спустя два года после того, как в 1836 г. к ним перешли литейные заводы Крезо, испытывавшие в то время проблемы. Через полвека фирма взялась за освоение зарождающегося рынка электроэнергетики. Спустя практически 100 лет компания продолжает концентрировать усилия в электротехнической промышленности. Приобретение в 1988 г. компании Telemecanique, в 1991 г. - Square D и в 1992 г. Merlin Gerin привело к созданию Schneider Electric Group. Такая политика позволила компании заявить о себе в новых сегментах рынка: HMI, UPS, управление передвижениями, оборудование VDI, сенсорная технология, автоматизация и системы безопасности зданий и т. д. В настоящее время Schneider Electric предлагает российским клиентам также сервисное обслуживание, эффективную логистику, энергоаудит, передачу инновационных технологий и обучение

Умные сети Smart Grid представляют собой модернизированные каналы электроснабжения, работающие с использованием коммуникационных и информационных технологий. Основной задачей внедрения подобных систем является обеспечение надёжной работы оборудования посредством внедрения дистанционного контроля над исправностью отдельных компонентов.

Сущность технологии Smart Grid в электроэнергетике

Система собирает информацию о производстве и потреблении электроэнергии, что позволяет корректно распределять энергоресурсы, обеспечивать надёжность их потребления и эффективность использования. Классические умные сети Smart Grid в электроэнергетике обладают следующими характеристиками:

• способность управлять работой потребителей;
• самостоятельное восстановление после сбоев;
• защищённость от физического и кибернетического внешнего вмешательства;
• обеспечение электроснабжения требуемого качества;
• синхронная работа генерирующих источников и центров хранения электроэнергии;
• способность существенно повышать эффективность работы энергосистемы в целом.

Иными словами умные сети Smart Grid в электроэнергетике должны отвечать критериям гибкости, доступности, надёжности и экономичности. Помимо этого концепция Smart Grid содержит ещё один важный аспект – катализацию экономического подъёма. Развёртывание подобных проектов способствует развитию инновационных технологий, стимулирует производство высокоинтеллектуальной продукции, расширяет возможности использования электрической тяги в транспортной инфраструктуре.

Потребители становятся активными участниками рынка, поскольку получают возможность продавать электроэнергию, выработанную на локальных генерирующих источниках. Человечество вступает в новую фазу гармоничного взаимодействия с окружающей средой. Создаются предпосылки для общего экономического подъёма и улучшения качества жизни.

Каналы передачи данных между объектами Smart Grid

Для передачи информации между элементами Smart Grid могут использоваться различные типы связи: низкочастотные контрольные кабели, коаксиальные высокочастотные кабели, провода высоковольтных линий электропередач, оптические кабели, направленные защищённые радиоканалы и др.

Из-за дешевизны и доступности наибольшую популярность приобрели сетевые технологии Ethernet/Internet. В такие сети через встроенные модемы легко подключаются разнообразные электронные датчики, измерительные преобразователи, трансдьюсеры, микропроцессорные счётчики и другие приборы. Альтернативой данному варианту являются оптоволоконные каналы и различные технологии современной беспроводной связи.

Для надёжного функционирования сети Smart Grid важно свести к минимуму количество отдельных обрабатывающих модулей. От многочисленных компонентов информация должна подаваться на мощные серверы, обрабатываться и пересылаться на исполнительные элементы. Чтобы избежать потерь эффективности, основная функциональность системы должна обеспечиваться на программном уровне.

Релейная защита в сетях Smart Grid

Концепция Smart Grid предполагает совмещение релейной защиты с информационно-измерительными функциями. Микропроцессорные устройства релейной защиты измеряют токи и напряжение в векторной форме, накапливают данные о срабатываниях и аварийных режимах в специальных блоках памяти. Таким образом, релейная защита превращается в своеобразный центр обработки информации, элемент системы диагностики и мониторинга электрооборудования.

Опыт реализации проектов Smart Grid

1. Проект Flexible Electricity Networks To Integrate The Expected Energy Evolution (FENIX). Гибкая электрическая сеть, реализующая концепцию общеевропейской энергосистемы с использованием виртуальных электростанций (VPP), возобновляемых источников энергоресурсов (RES) и распределённых источников генерации (DER).
2. Проект Active Distribution Network With Full Integration Of Demand And Distributed Energy RESourceS (ADDRESS). Составная часть европейской концепции сетей будущего Smart Grids European Technology Platform, объединяющая работу 25 энергокомпаний из 11 европейских стран.
3. Проекты Microgrids – отдельные энергосетевые структуры, размещённые на небольших территориях (реализованы в США, Европе, Японии и Канаде). Такие системы обладают локальными генерирующими источниками, поэтому способны взаимодействовать с центральными сетями при необходимости покрытия максимума пиковых нагрузок.
4. Проект интеллектуальной энергетической инфраструктуры компании Mitsubishi Electric. Предполагает распределённую генерацию, использование возобновляемых источников энергии, диспетчерских центров и средств аккумулирования энергии.

Как видим, построение умных сетей Smart Grid в электроэнергетике перспективно и востребовано. Сегодня это закономерный этап развития глобальной экономики и социальных отношений.

Состояние энергосетей в России приближается к критической степени износа. Запас работоспособности и прочности энергетических систем практически исчерпан. На сегодняшний день приблизительно 60-70% основных фондов электросетевого комплекса уже давно выработали срок службы. В условиях резкого увеличения объемов потребления энергоресурсов диспетчерские управления не всегда справляются с возникающими ситуациями, что приводит к соответствующим последствиям и убыткам для энергетических компаний. Потребность в новых современных решениях подобных ситуаций - это не просто вопрос минимизации убытков, это условие развития энергетической отрасли в целом.

Современные нагрузки на энергосистему требует быстрого и максимально точного анализа состояния рабочей системы для локализации неполадок, либо предотвращения таковых с помощью прогноза нагрузок на отдельные сегменты системы. В этом плане энергетические сети все больше требуют дополнения новыми цифровыми интеллектуальными решениями, способными помогать выполнять задачи сбора и анализа большого количества данных.

В ряде европейских стран процесс модернизации электроэнергетики в направлении создания «умных» сетей электроснабжения, получивших название Smart Grid, системно и последовательно идет уже длительное время . «Интеллектуальное» руководство электросетью обеспечивает автоматизацию, мониторинг и контроль двусторонней передачи энергии на всех этапах - от электростанции до бытовой розетки. Для масштабов России быстро внедрить и полностью перейти на использование Smart Grid решений не так просто. Тем не менее, проекты по интеграции «умных» технологий в промышленную энергетику уже не из разряда разговоров о будущем.

А что у нас?

Первые «умные» распределительные сети появились в Москве, Санкт-Петербурге и Казани, чуть позже в Иркутске. Один из таких проектов — пилотная зона, реализуемая совместно с «Ленэнерго» . Она включает в себя участок сети 6 кВ в исторической части Санкт-Петербурга. Задача проекта - подтвердить работоспособность предлагаемых решений и технологий, на реальном примере продемонстрировать возможность интеграции в сети Smart Grid.

Также стоит внимания проект в Сибири, где технологии Smart Grid внедряются на базе «Иркутской электросетевой компании» . Компания Schneider Electric предоставила комплекс услуг по налаживанию «умной» сети, включая проектирование, поставку и монтаж оборудования, установку программного обеспечения и последующее сервисное обслуживание аппаратуры. Более того, было проведено обучение сотрудников основам работы с новой технологией.

Следующий успешный проект - это кейс АО «Башкирская электросетевая компания» в Уфе. На данный момент выполнен пилотный проект и ведется работа по его тиражированию на город в целом. В рамках пилотного проекта было заменено устаревшее оборудование на новое с функциями наблюдаемости и управляемости, а также с высоким уровнем безопасности и надежности. Также установлены приборы коммерческого учета электроэнергии и организован центр управления сетями для города в целом. В результате реализации проекта фактический уровень потерь электроэнергии снизился с 19% до 1%.

По мнению Дмитрия Шароватова , генерального директора АО «Башкирская электросетевая компания»: "Без новых подходов в выстраивании бизнес процессов и организации производственных процессов не возможно будущее любой из отраслей, в том числе энергетики".

Безусловно, реализация концепции Smart Grid в России - процесс долгий и многоэтапный. Вместе с тем, использование «умных» платформ для управления большими данными энергопотребления дает целый перечень преимуществ.

Одна из наиболее важных возможностей «умных» систем - это способность снижения текущих расходов. Подстанции нового поколения позволяют снизить текущие расходы путем объединения нескольких систем управления и мониторинга в одну сеть. В то же время происходит снижение капитальных расходов. Не менее важным следствием внедрения smart сетей выступает улучшение защиты энергосистемы, поскольку информация со всех станций и подстанций сможет контролироваться с единого приложения.

В целом проект Smart Grid имеет средне- и долгосрочный горизонт возврата инвестиций. Чтобы сделать сеть экономически эффективной и умной, необходим целый комплекс мероприятий . Исходя из опыта стран Европы требуется в среднем полтора года, чтобы система начала оправдывать капиталовложения.

На сегодняшний день львиная доля инновационных технологий в электроэнергетике разработана за рубежом. Исходя из этого большинство интеллектуальных систем мониторинга и контроля не может быть использовано в сетях России в полных объемах, поскольку существует ряд технологических отличий электроэнергетической инфраструктуры России и стран Запада. В этом плане отечественные разработки в сфере интернета вещей, смарт микросетей, систем анализа и управления энергосистем имеют все шансы закрепится на огромном рынке, который только начинает развитие.

Смарт решения в области энергетики, которых ждет рынок - это прежде всего те, что будут направлены на решение основных задач отрасли: повышение качества и надежности энергоснабжения, увеличение операционной эффективности, качественное улучшение технического состояния энергосетевой инфраструктуры, повышение энергоэффективности.

Обсудить перспективы развития умных решений в области энергетики, а также познакомиться с готовыми смарт решениями для энергорынка России можно будет на Smart Energy Summit 2018 в Москве 27-28 марта.

Полный список участников и подробности программы доступны после заполнения этой анкеты .

Любое использование либо копирование материалов или подборки материалов сайта, элементов дизайна и оформления допускается лишь с разрешения правообладателя и только со ссылкой на источник

Рассматривается один из возможных вариантов преодоления глобальных вызовов человечеству - концепция «умной энергетики» - Smart Grid, получившая активное развитие в странах Запада. Пригодна ли концепция Smart Grid для российской энергетики или имеет смысл, как это не раз было, пойти «своим путём»? Об этом пойдёт речь в данной статье.

В жизни человека энергию можно определить как первоочередной фактор существования. Ход исторического становления общества напрямую связан с характером использования энергии. Тепло костра, ветряные и водяные мельницы, домашние печки, паровые машины, электрогенераторы… Социально-экономическое развитие человечества неотделимо от развития “энергетического мышления”. Ключевую роль в этом историческом процессе играет энергетика, решающая вопросы прикладного использования энергии.

Мы становимся свидетелями наступления эпохи перемен. Неуклонно растёт не только численность населения Земли, но и удельное потребление энергии на душу населения. В то же время сокращаются запасы органического топлива, остающегося основным источником энергии (порядка 85%), причём лишь треть первичной энергии обращается в полезное действие. Негативное воздействие на окружающую среду деятельности человечества становится очевидным: вопросы изменения климата и связанные с этим природные аномалии всё чаще обсуждаются на высшем государственном уровне. Завершают глобальную картину перемен экономические потрясения: мировая экономика сейчас находится в нижней точке волны “большого кондратьевского цикла” (Кондратьев Н.Д. - русский экономист, основоположник теории больших экономических циклов ). Очевидно одно: человечество стоит перед лицом глобальных вызовов.

Обратимся к истории развития западной и российской энергетики.

Начало развития будущих мировых энергосистем можно отнести ко второй половине XIX века. В это время были основаны такие компании, как General Electric, Westinghouse, Siemens, явившиеся впоследствии локомотивами мировой энергетики. Интенсивно растущий спрос на рынке электроэнергетики, государственное регулирование при растущих частных инвестициях способствовали возникновению в отрасли крупных компаний, многие из которых превратились в межотраслевые концерны. Энергосистемы запада развивались как совокупность региональных энергоструктур.

Что касается России, то начало становления российской энергетики тесно связано с именем Вернера фон Сименса – основателя немецкого концерна Siemens. После ознакомительного визита Сименса в Россию в 1852 г. в России было учреждено дочернее предприятие компании “Siemens & Halske”, которое возглавил брат Вернера – Карл Фридрих фон Сименс. Дальнейшая деятельность Карла Сименса привела к возникновению в России по указу Александра III “Общества электрического освещения” – прародителя ОАО “Мосэнерго” и ОАО “Ленэнерго ”. Отсюда и берёт своё начало одна из крупнейших в настоящее время мировых энергосистем – российская .

Накануне Первой мировой войны энергетика России серьёзно отставала от зарубежных: энергопотребление на душу населения было в 10 раз меньше, чем в Германии и в 60 раз меньше, чем в США. Россия размещалась на восьмом месте в мире по выработке электроэнергии, что, учитывая степень электрификации мирового сообщества, являлось весьма низким показателем. Ещё больше усугубили ситуацию Первая мировая война и революция. В 1917 г. компания Сименса была национализирована, но спустя три года возобновила работу, выполняя контракты в рамках реализации плана электрификации страны – ГОЭЛРО.

ГОЭЛРО (Государственная комиссия по электрификации России) – орган, созданный 21 февраля 1920 г. для разработки проекта электрификации России после революции 1917 г. По сути ГОЭЛРО являлся планом развития не только энергетики, а всей российской экономики. По словам писателя-фантаста Герберта Уэллса, “Ленин, который, как подлинный марксист, отвергает всех “утопистов”, в конце концов, сам впал в утопию – утопию электрификации”. Тем не менее, к 1990 г. целевые показатели плана ГОЭЛРО в 80 раз превзошли первоначальные по производству электроэнергии и в 50 раз по установленной мощности электростанций, определив тем самым место российской энергетики среди мировых лидеров.

Таким образом, российская энергосистема, получив в самом начале становления позитивный зарубежный опыт, развивалась под чутким руководством государства как единая централизованная система.

Различия в развитии зарубежных и российской энергосистем могут породить сомнения в целесообразности применения западных концепций (в данном случае – Smart Grid) в российских условиях. Проанализируем обоснованность подобных сомнений.

Что же такое Smart Grid?

С точки зрения Министерства энергетики США, интеллектуальным сетям (Smart Grid) присущи следующие атрибуты :

• способность к самовосстановлению после сбоев в подаче электроэнергии;
• возможность активного участия в работе сети потребителей;
• устойчивость сети к физическому и кибернетическому вмешательству злоумышленников;
• обеспечение требуемого качества передаваемой электроэнергии;
• обеспечение синхронной работы источников генерации и узлов хранения электроэнергии;
• появление новых высокотехнологичных продуктов и рынков;
• повышение эффективности работы энергосистемы в целом.

По мнению Европейской Комиссии, занимающейся вопросами развития технологической платформы в области энергетики, Smart Grid можно описать следующими аспектами функционирования :

• Гибкость. Сеть должна подстраиваться под нужды потребителей электроэнергии.
• Доступность. Сеть должна быть доступна для новых пользователей, причём в качестве новых подключений к глобальной сети могут выступать пользовательские генерирующие источники, в том числе ВЭИ с нулевым или пониженным выбросом CO2.
• Надёжность. Сеть должна гарантировать защищённость и качество поставки электроэнергии в соответствии с требованиями цифрового века.
• Экономичность. Наибольшую ценность должны представлять инновационные технологии в построении Smart Grid совместно с эффективным управлением и регулированием функционирования сети.

Итак, мы видим концептуальные определения интеллектуальной сети, указывающие на важную роль Smart Grid в дальнейшем технологическом, экономическом и экологическом развитии общества. Помимо решения задач снижения нагрузки на окружающую среду, уменьшения энергетического дефицита за счёт использования возобновляемых источников энергии, повышения качества и надёжности работы энергосистемы в концепциях Smart Grid прослеживается ещё один очень важный аспект: Smart Grid является катализатором экономического подъёма. Реализация положений данной концепции будет подразумевать развитие инновационных технологий, расширение масштабов производства высокоинтеллектуальной продукции, более интенсивное применение электрической энергии в транспортной инфраструктуре (использование автомобилей с электродвигателями), развитие новых рыночных отношений с привлечением в энергетику потребителей в качестве активных игроков рынка (возможность продавать электроэнергию, используя локальные генерирующие источники). Благодаря реализации концепции Smart Grid человечество вступит в новую фазу существования, которая будет характеризоваться гармоничным взаимодействием с окружающей средой, улучшением качества жизни и общим экономическим подъёмом. Выглядит амбициозно, но отнюдь не фантастично. И едва ли это противоречит отечественным взглядам на развитие энергетики и страны в целом.

В России идея Smart Grid в настоящее время выступает в качестве концепции интеллектуальной активно-адаптивной сети, которую можно описать следующими признаками :

• насыщенность сети активными элементами, позволяющими изменять топологические параметры сети;
• большое количество датчиков, измеряющих текущие режимные параметры для оценки состояния сети в различных режимах работы энергосистемы;
• система сбора и обработки данных (программно-аппаратные комплексы), а также средства управления активными элементами сети и электроустановками потребителей;
• наличие необходимых исполнительных органов и механизмов, позволяющих в режиме реального времени изменять топологические параметры сети, а также взаимодействовать со смежными энергетическими объектами;
• средства автоматической оценки текущей ситуации и построения прогнозов работы сети;
• высокое быстродействие управляющей системы и информационного обмена.

На основе указанных признаков можно дать достаточно чёткое определение интеллектуальной сети как совокупности подключённых к генерирующим источникам и электроустановкам потребителей программно-аппаратных средств, а также информационно-аналитических и управляющих систем, обеспечивающих надёжную и качественную передачу электрической энергии от источника к приёмнику в нужное время и в необходимом количестве.

На уровне концептуальных отечественных документов можно определить предпосылки к развитию отечественной интеллектуальной энергетики.

Согласно “Энергетической стратегии России на период до 2030 года” в качестве приоритетных направлений научно-технического прогресса в электроэнергетике выделяются следующие :

• создание высокоинтегрированных интеллектуальных системообразующих и распределительных электрических сетей нового поколения в Единой энергетической системе России (интеллектуальные сети – Smart Grid);
• использование низкотемпературных сверхпроводниковых индукционных накопителей электрической энергии для электрических сетей и гарантированного электроснабжения ответственных потребителей;
• широкое развитие распределенной генерации;
• развитие силовой электроники и устройств на их основе, прежде всего различного рода сетевых управляемых устройств (гибкие системы передачи переменного тока – FACTS);
• создание высокоинтегрированного информационно-управляющего комплекса оперативно-диспетчерского управления в режиме реального времени с экспертно-расчётными системами принятия решений;
• создание высоконадёжных магистральных каналов связи между различными уровнями диспетчерского управления и дублированных цифровых каналов обмена информацией между объектами и центрами управления;
• создание и широкое внедрение централизованных систем противоаварийного управления, охватывающих все уровни Единой энергетической системы России;
• создание автоматизированных систем управления спросом на электроэнергию;
• создание водородных систем аккумулирования энергии и покрытия неравномерностей графика нагрузки.

Подтверждением намерений строить и развивать в России интеллектуальную энергетику служит утверждение приоритета данного направления на уровне Президента и Правительства, а также включение расходов на “интеллектуализацию сетей” в инвестиционную программу ОАО “ФСК ЕЭС”. Очевидно, что на концептуальном уровне кардинальных противоречий между западным и отечественным взглядом на развитие интеллектуальных сетей нет.

Каковы же конкретные шаги на пути реализации концепций интеллектуальных сетей?

Проекты ОАО “ФСК ЕЭС”

В настоящее время идёт разработка концепции построения умных сетей, а также реализация проектов по внедрению на объектах ОАО “ФСК ЕЭС” отдельных элементов умных сетей:

• установка СТАТКОМ (статический преобразователь реактивной мощности на базе преобразователя напряжения) на ПС 400 кВ “Выборгская”;
• установка управляемых шунтирующих реакторов на ПС 50 кВ “Таврическая”, “Барабинская”, “Иртыш”;
• установка статического тиристорного компенсатора и конденсаторных установок на ПС 500 кВ “Ново-Анжерская”.

Работа ОАО “ХОЛДИНГ МРСК”

Для распределительного электросетевого комплекса применение технологии умных сетей является одной из важнейших задач. В настоящее время активно реализуются проекты внедрения умных приборов учёта электроэнергии, создаются центры управления сетями, повышается наблюдаемость ПС. Первоочередной задачей в “интеллектуализации” распределительной сети является умный учёт. При этом очевидной становится проблема разнородности применяемых приборов учёта по функционалу и используемому коммуникационному интерфейсу. Предстоит большая работа по созданию единого информационного ландшафта системы учёта, подразумевающей применение открытых, гибких многофункциональных компонентов (в частности, приборов учёта), работающих по принципу “plug and play”. В этом случае опыт западных коллег был бы весьма полезен .

Некоторые зарубежные проекты

• Проект “FENIX” (Flexible Electricity Networks to Integrate the expected Energy Evolution). Проект построения гибкой электрической сети, основными целями которого являются: отработка механизмов функционирования общеевропейской энергосистемы, в частности, разработка концепции виртуальных электростанций (VPP); отработка алгоритмов включения в общую систему распределённых источников генерации (DER) и возобновляемых источников энергоресурсов (RES); разработка новых программно-аппаратных платформ для претворения в жизнь концепции VPP; технико-экономическое обоснование применения VPP; демонстрация разработок на полигонах в Испании и Великобритании. Данный проект объединил ведущих игроков европейского энергетического рынка, таких как Iberdrola, Electricité de France, EDF Energy Networks, Red Eléctrica de España, National Grid Transco, Siemens PSE, Areva T&D и др.
• Проект “ADDRESS” (Active Distribution network with full integration of Demand and distributed energy RESourceS). Данный проект является составной частью европейской концепции сетей будущего Smart Grids European Technology Platform и объединяет работу 25 компаний из 11 стран Европы, включая EDF, ABB, Enel, Kema, Philips и др. Проект планируется к завершению в 2012 г.
• Проекты построения Microgrids – отдельных энергосетевых структур, расположенных на небольшой территории, обладающих собственными генерирующими источниками и способными взаимодействовать с центральной сетью для решения задач покрытия максимума пиковых нагрузок. Проекты успешно реализуются в Европе (консорциум 14 компаний из 7 стран во главе с Национальным технологическим университетом Афин (NTUA)), США (проекты реализуемые консорциумом CERTS, компанией GE), Канаде, Японии.
• Проект построения интеллектуальной энергетической инфраструктуры (распределённая генерация, возобновляемые источники энергии, средства аккумулирования энергии, центры диспетчерского управления) в трёх префектурах Японии, реализуемый компанией Mitsubishi Electric.

Итак, в практическом плане в России и за рубежом ведутся активные работы по созданию концепций и апробации технологий интеллектуальных сетей; перспективы их развития в России можно сформулировать укрупнённо:

• Запасы нефти и газа небезграничны, и освоение возобновляемых источников энергии с дальнейшим включением их в единую энергетическую систему страны является стратегически важной задачей.
• Развитие распределённой энергетики, в том числе когенерации за счёт модернизации существующих котельных, для покрытия максимумов нагрузок и устранения энергодефицита – весьма важная задача для распределительного электросетевого комплекса.
• Обеспечение бессбойной работы системы в условиях роста использования спорадической нагрузки (например, электромобилей, рост использования которых очевиден).
• Сокращение потерь электроэнергии за счёт построения систем интеллектуального учёта с возможностью учёта качества электроэнергии и ограничения нагрузки.
• Развитие коммуникационной среды, способной надёжно и качественно поддерживать двунаправленный информационный обмен между поставщиками и потребителями энергоресурсов. Одним из способов решения данной задачи является применение беспроводных интеллектуальных коммуникационных устройств (например, российских – СИКОН ТС65 и СИКОН-Колибри).
• Повышение качества электроэнергии за счёт применения устройств компенсации реактивной мощности .
• Применение интеллектуального оборудования и программных комплексов для управления топологией сети с целью обеспечения надёжности функционирования.
• Использование накопителей энергии большой ёмкости для выравнивания графика нагрузки, а также для обеспечения бесперебойной работы особо важных объектов.
• Развитие рыночных отношений в энергобизнесе с привлечением потребителей электроэнергии (создание отдельных участков сети – аналог Microgrids) как возможныхпоставщиков электроэнергии в требуемое время в нужные участки сети.
• Разработка и производство отечественными компаниями высокотехнологичной конкурентной продукции для обеспечения функционирования интеллектуальной сети.

Перечисленные аспекты будущей интеллектуальной сети чётко соответствуют модернизационному сценарию развития российской экономики, обозначенному руководством нашей страны. Использование зарубежного опыта (не слепое копирование, а осознанное применение лучших практик в проекции на отечественную действительность) в этом случае не станет нарушением базовых принципов патриотизма, являясь образцом рационального использования общемирового опыта.

Подводя итоги, можно сказать, что вопреки мнению отдельных специалистов, применение интеллектуальных сетей в России перспективно и востребовано. “Умные сети” – Smart Grids – не очередное модное слово, появившееся на Западе, малопригодное для России и сулящее только лишь головную боль “бывалым энергетикам-профессионалам”. “Умные сети” – это закономерный этап развития социально-экономических отношений, воплощённый в технологическую концепцию. И Россия, будучи полноправным членом мирового сообщества, ни в коем случае не должна его игнорировать, целенаправленно двигаясь вперёд совместно с ведущими мировыми державами.

Список литературы

1. Электроэнергетика России 2030: Целевое видение / Под общ. ред. Б.Ф. Вайнзихера. – М.: Альпина Бизнес Бук, 2008.
2. http://www.oe.energy.gov/smartgrid.htm (интернет-ресурс).
3. European SmartGrids Technology Platform. Vision and Strategy for Europe’s Electricity Networks of the Future. – Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities, 2006.
4. Дорофеев В.В., Макаров А.А. Активно-адаптивная сеть – новое качество ЕЭС России // Энергоэксперт, 2009, № 4 (15).
5. Концепция энергетической стратегии России на период до 2030 года (проект). Прил. к журналу “Энергетическая политика”. – М.: ГУ ИЭС, 2007.
6. Ледин С.С., Игнатичев А.В. Развитие промышленных стандартов внутри- и межсистемного обмена данными интеллектуальных энергетических систем // Автоматизация и IT в энергетике, 2010, № 10.

Ледин С.
Автоматизация и IT в энергетике. № 11 (16), 2010