Раздел 3. Технологическая платформа эффективной энергетики
Тема 3.1: Зарубежный опыт инновационного развития эффективной электроэнергетики на базе концепции Smart Grid.
Изучаемые вопросы:
1. Общая характеристика концепции Smart Grid.
2. Базовые подходы к построению энергосистемы в концепции Smart Grid.
3. Функциональные свойства энергосистемы на базе концепции Smart Grid.
4. Контрольные вопросы.
Учебная цель:
Ознакомить студентов с зарубежным опытом инновационного развития эффективной электроэнергетики на базе концепции Smart Grid.
Время: 2 часа
Литература:
1. Савина Н.В. Инновационное развитие электроэнергетики на основе технологий Smart Grid: учебное пособие / сост. Н.В. Савина. - Благовещенск: Амурский гос. ун-т, 2014. - 136 с.
2. Энергосберегающие технологии в энергетике: Методические указания к научному семинару / Сост.: Ю.В. Мясоедов. -Благовещенск: Изд-во АмГУ, 2014. - 68 с.
3. Кобец, Б. Б. Инновационное развитие электроэнергетики на базе концепции SmartGrid: моногр. / Б. Б. Кобец, И. О. Волкова. - М.: ИАЦ Энергия, 2010.-208 с.
В последние десятилетия во всем мире интенсивно развивается направление научно-технологического инновационного преобразования электроэнергетики на базе новой концепции, получившей название Smart Grid, интерпретированное в различных переводах, в основном, как - «интеллектуальная (умная) сеть (энергосистема)».
1. Общая характеристика концепции Smart Grid. Основными идеологами разработки концепции Smart Grid («интеллектуальная сеть» или умная сеть) выступили США и страны Европейского Союза (ЕС), принявшие ее как основу своей национальной политики энергетического и инновационного развития. В последующем концепция Smart Grid получила признание и развитие практически во всех крупных индустриально развитых и динамично развивающихся странах, где развернут широкий спектр деятельности в этом направлении.
Наиболее масштабные программы и проекты разработаны и реализуются в США и странах Евросоюза, Канаде, Австралии, Китае и Корее. В США такая программа имеет статус национальной и осуществляется при прямой поддержке политического руководства страны.
В странах Европейского Союза для координации работ и выработки единой стратегии развития электроэнергетики в 2004 году создана технологическая платформа Smart Grids - «Европейская энергетическая система будущего», конечной целью которой является разработка и реализация программы развития Европейской энергетической системы до 2020 года и далее.
Концепция Smart Grid рассматривается за рубежом как концепция инновационного преобразования электроэнергетики на основе целостной системы видения ее роли и места в современном и будущем обществе. Она определяет требования к электроэнергетике, подходы к обеспечению этих требований, принципов и способов осуществления и необходимого технологического базиса для реализации концепции, в которой новым технологиям и устройствам отводится роль одного из основных способов и инструментов его осуществления.
В основу концепции положена разработанная целостная и всесторонне согласованная в обществе система взглядов на роль и место электроэнергетики, на перспективу, цели и требования к ее развитию, подходы к их осуществлению, принципы и способы реализации и создания необходимого технологического базиса.
Причины возникновения новой концепции связаны, в первую очередь, с тем, что последние десятилетия прогнозируемое развитие во всем мире характеризуется возникновением целого ряда факторов, определяющих необходимость кардинальных преобразований в электроэнергетике:
- постоянное повышение спроса на электроэнергию и её стоимости во всем мире;
- необходимость повышения энергетической и экологической эффективности электроэнергетики;
- рост требований потребителей к надежности и качеству электроснабжения;
- появление прогрессивных технологий в результате НТП, не нашедших должного применения в современной электроэнергетике;
- снижение надежности энергоснабжения;
- изменение условий функционирования рынков электроэнергии и мощности.
Совершенно очевидно, что указанные факторы в России и за рубежом практически совпадают, следовательно, анализ развития технологий Smart Grid является полезным для электроэнергетики России.
За рубежом проведен глубокий анализ возможных путей развития электроэнергетики, результаты которого показали наличие серьезных ограничений возможностей развития отрасли, в рамках прежней экстенсивной концепции, основанной преимущественно на улучшении отдельных видов оборудования и технологий, обладающих более совершенными по сравнению с достигнутыми на сегодня функциями и характеристиками.
В качестве наиболее значимых факторов рассматривались:
1. Ограниченность возможности дальнейшего наращивания, как объемов, так и повышения эффективности генерирующих мощностей. Это обусловлено исчерпаемостью, в долгосрочной перспективе, не возобновляемых видов топлива, а также появлением существенных экологических ограничений, сдерживанием развития сетевой инфраструктуры, в первую очередь, в районах с высокой плотностью населения, все более возрастающими техногенными и инфраструктурными рисками развития;
2. Низкий потенциал повышения эффективности использования ресурсов: существующая технологическая база энергетики практически исчерпала возможности повышения производительности оборудования;
3. Ограниченность инвестиционных ресурсов для строительства новых энергетических объектов и развития сетевой инфраструктуры.
Новая концепция инновационного развития электроэнергетики с одной стороны, должна соответствовать современным взглядам, целям и ценностям социального и общественного развития, формирующимися и ожидаемыми потребностями людей и общества в целом, а с другой - максимально учитывать основные тенденции и направления научно-технического прогресса во всех отраслях, сферах жизни и деятельности общества. Такой концепцией и стала Smart Grid.
Проведенный в рамках исследования анализ зарубежного опыта позволил сформулировать следующие исходные положения концепции Smart Grid за рубежом:
1. Концепция Smart Grid предполагает системное преобразование электроэнергетики и затрагивает все ее основные элементы: генерацию, передачу и распределение (включая и коммунальную сферу), сбыт и диспетчеризацию.
2. Энергетическая система рассматривается в будущем как подобная сети Интернет инфраструктура, предназначенная для поддержки энергетических, информационных, экономических и финансовых взаимоотношений между всеми субъектами энергетического рынка и другими заинтересованными сторонами.
3. Развитие электроэнергетики должно быть направлено на развитие существующих и создание новых функциональных свойств энергосистемы и ее элементов, обеспечивающих в наибольшей степени достижение ключевых ценностей новой электроэнергетики, выработанных в результате совместного видения всеми заинтересованными сторонами целей и путей ее развития.
4. Электрическая сеть (все ее элементы) рассматривается как основной объект формирования нового технологического базиса, дающего возможность существенного улучшения достигнутых и создания новых функциональных свойств энергосистемы.
5. Разработка концепции комплексно охватывает все основные направления развития: от исследований до практического применения и тиражирования и должна вестись на научном, нормативно-правовом, технологическом, техническом, организационном, управленческом и информационном уровнях.
6. Реализация концепции носит инновационный характер и дает толчок к переходу к новому технологическому укладу в электроэнергетике и в экономике в целом.
В рамках развиваемой концепции Smart Grid разнообразие требований всех заинтересованных сторон (государства, потребителей, регуляторов, энергетических компаний, сбытовых и коммунальных организаций, собственников, производителей оборудования и др.) сведено к группе так называемых ключевых требований (ценностей) новой электроэнергетики, сформулированных как:
- экономичность - оптимизация тарифов на электрическую энергию для потребителей и снижение общесистемных затрат;
- эффективность - максимизация эффективности использования всех видов ресурсов и технологий при производстве, передаче, распределении и потреблении электроэнергии;
- доступность - обеспечение потребителей энергией без ограничений в зависимости от того, когда и где она им необходима, и в зависимости от оплачиваемого качества;
- надежность - возможность противостояния физическим и информационным негативным воздействиям без тотальных отключений или высоких затрат на восстановительные работы, максимально быстрое восстановление (самовосстановление);
- органичность взаимодействия с окружающей средой – максимально возможное снижение негативных экологических воздействий
- безопасность - не допущение ситуаций в электроэнергетике, опасных для людей и окружающей среды.
2. Базовые подходы к построению энергосистемы в концепции Smart Grid. Важное значение при реализации концепции имеет идеологический базис. Базовая идеология в концепции Smart Grid включает в себя три основных составляющих: ориентацию, управление, информацию.
1. Ориентация на требования заинтересованных сторон и клиентоориентированность.
Выработка и принятие решений по развитию и функционированию электроэнергетики осуществляется на основе баланса требований всех заинтересованных сторон с учетом ожидаемых ими выгод и затрат, где потребителю отведена ключевая роль активного участника и субъекта принятия решений путем самостоятельного формирования своих требований к объему получаемой электроэнергии, качеству и характеру ее потребительских свойств и энергетических услуг.
Таким образом, концепция Smart Grid предполагает переход к активному потребителю - по сути, потребитель становится, с одной стороны, активным субъектом выработки и принятия решений по развитию и функционированию энергосистемы, а с другой - объектом управления, обеспечивающим наряду с другими реализацию ключевых требований.
2. Возрастание роли управления как основного фактора развития и способа обеспечения формируемых требований (ценностей) с соответствующим резким повышением управляемости, как отдельных элементов, так и энергосистемы в целом.
Именно возрастание роли управления рассматривается как альтернатива обеспечению требований и функций в электроэнергетике за счет наращивания мощностей и связей (сетей), развития не столько через улучшение их традиционных физических, энергетических и технологических характеристик, сколько путем широкой (глубокой) адаптации, использования и внедрения в электроэнергетике решений и инноваций, в том числе из других отраслей, в первую очередь, информационно-коммуникационных и компьютерных технологий.
3. Информация выступает как главное средство обеспечения эффективного управления.
При этом представляется принципиально важным подчеркнуть, что управленческие и информационные связи превращаются в системообразующий фактор, обеспечивающий переход к новому качеству: от энергетической к энергоинформационной системе. Энергоинформационная инфраструктура является базой для комплексного управления всей энергетической системой на базе концепции Smart Grid, включая технологическую интеграцию электрических и информационных сетей.
Энергосистема на базе концепции Smart Grid будет использовать динамические данные, получаемые от оборудования и датчиков, чтобы оптимизировать пропускную способность сетей и снизить вероятность аварии. Она снизит системные потери, минимизирует простаивающие и резервные мощности, сократит капитальные затраты и затраты на обслуживание посредством оптимизации использования генерирующих и сетевых ресурсов и корректировки графика нагрузки. Информация о состоянии сети позволит предотвратить большинство аварий и намного быстрее провести ремонтные работы, когда авария все же случилась.
Инженеры и проектировщики будут обладать необходимой
информацией, чтобы строить «то, что нужно и там, где нужно»; продлить жизнь активов; производить ремонт оборудования до того, как оно неожиданно выйдет из строя.
Важное значение при реализации концепции имеет технологический базис, под которым понимается совокупность технологий, позволяющих обеспечивать согласованную структуру промежуточных и конечных продуктов и услуг на определенном этапе развития отрасли.
В концепции Smart Grid при формировании технологического базиса за рубежом рассматривается как необходимый вопрос обеспечения технологической преемственности перехода от существующей технологической базы энергетики к новой с минимально возможными издержками.
На рис. 7.1. Показаны некоторые задачи, решаемые в технологиях «умных сетей».
Рис. 7.1. Некоторые задачи в технологиях «умных сетей»
С целью создания нового, инновационного технологического базиса энергетики были сформированы пять групп ключевых технологических областей, обеспечивающих, прорывной характер:
- измерительные приборы и устройства, включающие, в первую очередь, smart-счетчшя и smart-датчики;
- усовершенствованные методы управления: распределенные интеллектуальные системы управления и аналитические инструменты для поддержки коммуникаций на уровне объектов энергосистемы, работающие в режиме реального времени и позволяющие реализовать новые алгоритмы и методики управления энергосистемой, включая управление её активными элементами;
- усовершенствованные технологии и компоненты электрической сети: гибкие передачи переменного тока FACTS, постоянный ток, сверхпроводящие кабели, полупроводниковая, силовая электроника, накопители и т.д.
- интегрированные интерфейсы и методы поддержки принятия решений, управление спросом, распределенная система мониторинга и контроля (DMCS), распределенная система текущего контроля за генерацией (DGMS), автоматическая система измерения протекающих процессов (AMOS), и т.д., а также новые методы планирования и проектирования как развития, так и функционирования энергосистемы и ее элементов;
- интегрированные коммуникации, которые позволяют элементам первых четырех групп обеспечивать взаимосвязь и взаимодействие друг с другом, что и представляет, по существу, Smart Grid как технологическую систему.
В таблице 7.1. приведены группы технологий, которые в настоящее время в секторе магистральных сетей получили наибольшее распространение и развитие.
Таблица 7.1. - Ключевые технологии, развиваемые в секторе магистральных сетей за рубежом
| Инновационные компоненты и технологии | Технологии аккумулирования электроэнергии |
| Технологии сверхпроводимости | |
| Токоограничивающие устройства | |
| Технологии цифровой подстанции | |
| Технологии передачи энергии постоянным током | |
| Технологии управляемых электропередач переменного тока | |
| Системы мониторинга и защиты от внешних воздействий | Технологии контроля и защиты от внешних воздействий |
| Технологии мониторинга и диагностики электрических сетей | |
| Системы управления | Технологии адаптивного автоматизированного и автоматического управления |
| Технологии интеллектуального управления |
3. Функциональные свойства энергосистемы на базе концепции Smart Grid. Реализация ключевых требований (ценностей) на основе рассмотренных базовых подходов, по мнению идеологов концепции Smart Grid, могут быть обеспечены как путем развития традиционных, так и создания новых функциональных свойств энергосистемы и ее элементов.
В рамках концепции Smart Grid для достижения ключевых требований (ценностей) предполагается развитие следующих функциональных свойств.
1. Самовосстановление при аварийных ситуациях: энергосистема и ее элементы должны постоянно поддерживать свое техническое состояние на уровне, обеспечивающим требуемые надежность и качество электроснабжения, путем идентификации, анализа и перехода от управления по факту возникновения ситуации к превентивному (предупреждающему) ее появлению. Самовосстанавливающаяся энергосистема должна максимально возможно минимизировать сбои (возмущения) с помощью разветвленных систем сбора данных, и «умных» устройств (digital devices -англ.) - реализующих специальные методы и алгоритмы поддержки и принятия решений, основанные, в первую очередь, на распределенных принципах управления.
Диагностика состояния оборудования и оценка вероятных рисков его отказа основывается на измерениях, производимых в режиме реального времени на оборудовании электростанций, подстанций и линиях электропередачи. При этом под приоритетный контроль переводятся элементы системы, имеющие наибольшую вероятность отказа. Анализ последствий аварий, возможных при данном режиме работы, производимый в режиме реального времени, в энергосистеме на базе концепции Smart Grid определяет общее состояние сети, дает раннее предупреждение о возможном отказе сети и вырабатывает список необходимых незамедлительных действий оперативно-диспетчерского персонала, формирует и выполняет управляющие команды для исполнительных механизмов электроэнергетической системы. Кроме того, интеграция распределенных энергоресурсов увеличивает устойчивость всей системы, поскольку обеспечивает большое количество источников электроэнергии и позволяет создавать изолированные энергосистемы.
2. Мотивация активного поведения конечного потребителя: обеспечение возможности самостоятельного изменения потребителями объема и потребительских характеристик (уровня надежности, качества и т.п.) получаемой энергии на основании баланса своих потребностей и возможностей энергосистемы с использованием информации о характеристиках цен, объемов, надежности, качестве и т.д.
3. Сопротивление негативным влияниям: наличие специальных методов обеспечения устойчивости и живучести, снижающих физическую и информационную уязвимость всех составляющих энергосистемы и способствующих как предотвращению, так и быстрому восстановлению ее после аварий в соответствии с требованиями энергетической безопасности.
Энергосистема на базе концепции Smart Grid будет обладать способностью проактивно действовать по отношению к меняющимся системным условиям. Она будет отслеживать надвигающиеся проблемы в системе еще до того, как они повлияют на надежность и качество электроснабжения. Для этого будут применяться автоматические переключатели, «интеллектуальные» системы контроля, оборудование для альтернативного электроснабжения, средства визуализации и т.п.
С точки зрения безопасности энергосистема на базе концепции Smart Grid должна будет давать гибкий и адекватный ответ на любые несанкционированные вмешательства извне. Алгоритмы системы защиты Smart Grid будут содержать элементы сдерживания, предотвращения, обнаружения, ответа и смягчения для минимизации нападения на сеть и ее влияния на экономику в целом. Такая низкая восприимчивость и гибкость сети, сделают её труднодоступной для террористических атак.
4. Обеспечение надежности и качества электроэнергии путем перехода от системно-ориентированного подхода (System-based approach) к обеспечению этих свойств к клиентоориентированному (Customer-based), и поддержанию различных уровней надежности и качества энергии в различных ценовых сегментах.
Smart Grid должна позволить значительно улучшить качество электроэнергии и надежности ее поставок. Интеллектуальные технологии, обеспечивающие двухсторонние коммуникации, и интегрированные в сеть, позволят энергетическим компаниям более оперативно определять, локализировать, изолировать и восстанавливать электроснабжение на расстоянии (удаленно) без привлечения «полевых» работников. Ожидается, что реализация концепции Smart Grid может снизить экстренные вызовы до 50%.
Удаленный мониторинг и контролирующие устройства системы могут создать самовосстанавливающуюся сеть, которая может сокращать и предотвращать перебои, а также продлевать срок службы подстанционного и распределительного оборудования.
Энергетическая система на базе концепции Smart Grid должна обладать возможностью дифференцировать услуги электроснабжения посредством предложения разных уровней надежности и качества электроснабжения но разной цене, обеспечивая в режиме реального времени мониторинг, диагностику и быструю реакцию на изменения надежности и качества электроснабжения.
Уровень надежности электроснабжения может варьироваться от «стандартного» до «премиум», в зависимости от предпочтений потребителя. Обеспечение разных уровней надежности электроснабжения потребует особой фокусировки на устранении неполадок в сети. Smart Grid должна обеспечивать возможность быстро определять причину и источник проблем с надежностью и качеством электроснабжения, а также возможность динамически или автономно устранять эту проблему быстро и эффективно.
5. Многообразие типов электростанции и систем аккумулирования электроэнергии (распределенная генерация): оптимальная интеграция электростанций и систем аккумулирования электроэнергии различных типов и мощностей путем подключения их к энергосистеме по стандартизованным процедурам технического присоединения и переход к созданию «микросетей» (Microgrid - англ.) на стороне конечных пользователей.
Усовершенствованные стандарты технического присоединения позволят подключать к системе электрогенерирующие источники на любом уровне напряжения, что станет дополнительным стимулом для развития распределенных источников электроэнергии.
Для потребителей, принимающих решения в отношении использования услуг энергоснабжающих организаций, и руководствующихся критерием эффективности и полезности должны быть созданы все условия для создания собственных генерирующих и аккумулирующих мощностей, в первую очередь, экологически чистых источников энергии, таких как ветровые, био- и солнечные электростанции, которые рассматриваются как ключевые в развитии электроэнергетики будущего.
Энергетическая система на базе концепции Smart Grid должна упростить взаимосвязь распределенной генерации и систем хранения электроэнергии посредством создания стандартизованной взаимосвязи сеть-генерация, близкой концепции Plug and Play («подключи и работай»), применяемой в современных компьютерных системах.
Распространение распределенной генерации создаст новые вызовы для сети благодаря своей более мобильной природе и менее стабильным характеристикам, которые могут порождать перебои и резкие понижения напряжения в сети. Ответ на эти вызовы может быть дан посредством более интенсивного привлечения информации, двусторонней коммуникации, «интеллектуального» контроля и правильной конфигурации распределенной генерации, хранения и управления спросом на электроэнергию.
6. Расширение рынков мощности и энергии до конечного потребителя: открытый доступ на рынки электроэнергии активного потребителя и распределенной генерации, способствующий повышению результативности и эффективности розничного рынка.
Энергосистема на базе концепции Smart Grid предоставит большие возможности по выходу на рынок, как потребителей, так и производителей за счет увеличения пропускной способности магистральных сетей, проведения инициатив по коллективному управлению потреблением, расположению распределенных источников энергии в распределительных сетях, ближе к потребителям.
При этом, изменение статуса потребителя как участника рыночных отношений, обусловленное возможностью создания им собственных источников электроснабжения, направлено на развитие в электроэнергетике конкурентной среды, стимулирование предприятий отрасли к изменению подходов и бизнес-моделей, длительное время применяемых ими, но не достаточно эффективных в современных условиях.
7. Оптимизация управления активами: переход к удаленному мониторингу производственных активов в режиме реального времени, интегрированному в корпоративные системы управления, для повышения эффективности оптимизации режимов работы и совершенствования процессов эксплуатации, ремонтов и замены оборудования по его состоянию, и, как следствие, обеспечение снижения общесистемных затрат.
Развитая система информации и баз данных резко увеличит возможности по оптимизации режимов работы и совершенствованию процессов эксплуатации оборудования, даст возможность проектировщикам и инженерам принимать оптимальные решения, в том числе и инвестиционные. Совокупность этих изменений позволит повысить эффективность управления как капитальными затратами, так и затратами на техническое обслуживание и ремонты оборудования.
Реализация выдвинутых ключевых требований (ценностей) и осуществление функциональных свойств (принципиальных характеристик) рассматриваются в рамках концепции Smart Grid с позиций идентификации обеспечивающих их ключевых (базовых) технологических областей и технологий или технологического базиса, требующих соответствующего инновационного развития.
Энергосистема на базе концепции Smart Grid будет использовать динамические данные, получаемые от оборудования и датчиков, чтобы оптимизировать пропускную способность сетей и снизить вероятность аварии. Она снизит системные потери, минимизирует простаивающие и резервные мощности, сократит капитальные затраты и затраты на обслуживание посредством оптимизации использования генерирующих и сетевых ресурсов и корректировки графика нагрузки.
Информация о состоянии сети позволит предотвратить большинство аварий и намного быстрее провести ремонтные работы, когда авария все же случилась. Инженеры и проектировщики будут обладать всей необходимой информацией для выполнения своей профессиональной деятельности.
Сравнительная характеристика функциональных свойств сегодняшней энергетической системы и энергетической системы на базе концепции Smart Grid приведена в таблице 7.2, полученная на основе анализа зарубежных работ в области Smart Grid.
Таблица 7.2. Сравнительная характеристика функциональных свойств действующей ЭЭС и ЭЭС на базе концепции Smart Grid
| Традиционная энергетическая система | Энергетическая система на базе концепции Smart Grid |
| Односторонняя коммуникация между элементами или ее отсутствие | Двусторонние коммуникации |
| Централизованная генерация - сложно интегрируемая распределенная генерация | Распределенная генерация |
| Топология - преимущественно радиальная | Преимущественно сетевая |
| Реакция на последствия аварии | Реакция на предотвращение аварии |
| Работа оборудования до отказа | Самомониторинг и самодиагностика, продлевающая «жизнь» оборудования |
| Ручное восстановление | Автоматическое восстановление - «самолечащиеся сети» |
| Подверженность системным авариям | Предотвращение развития системных аварий |
| Ручное и фиксированное выделение сети | Адаптивное выделение |
| Проверка оборудования по месту | Удаленный мониторинг оборудования |
| Ограниченный контроль перетоков мощности | Управление перетоками мощности |
| Недоступная или сильно запоздавшая информация о цене для потребителя | Цена в реальном времени |
Проведенный за рубежом анализ возможных путей развития электроэнергетики на технологической платформе Smart Grid показал, что базовые принципы и инновационные технологии могут лечь в основу инновационной электроэнергетики России.
Контрольные вопросы
1. Перечислить факторы, определяющие необходимость кардинальных преобразований в мировой электроэнергетике.
2. Назвать исходные положения концепции Smart Grid за рубежом.
3. Сформулировать основные требования к новой мировой электроэнергетике.
4. Перечислить ключевые технологические области, обеспечивающие прорывной характер в мировой электроэнергетике.
5. Какие функциональные свойства энергосистемы в рамках концепции Smart Grid подлежат развитию.
6. Сравнить функциональные свойства действующих и перспективных энергосистем на базе концепции Smart Grid