С.C. Ледин - Интеллектуальные сети Smart Grid — будущее российской энергетики

Аннотация

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 [1].

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 [2]:

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 [3]:

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 [4]:

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 [5]:

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 [6].

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, Electricite de France, EDF Energy Networks, Red Electrica de Espana, 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 использованной 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.