Умные сети, Smartgrid. Автоматизация производства преобразования и распределения энергии



SMARTGRID (умные сети) – это система передачи электроэнергии от производителя к потребителю, самостоятельно отслеживающая и распределяющая потоки электричества для достижения наибольшей эффективности использования энергии. Применяя современные информационные и коммуникационные технологии, всё оборудование умных сетей взаимодействует, в результате получается единая интеллектуальная система энергоснабжения. Полученная с оборудования информация анализируется, а результаты способствуют оптимизации потребления электроэнергии, уменьшить затраты, повысить надежность и эффективность энергосистем.

Непосредственно слово SMART GRID стали применять Массуд Амини Брюс Волленберг в публикации «К интеллектуальной сети» ещё в 1998 г. Использовали его в маркетинговых наименованиях специализированных контроллеров, какие предназначались с целью управления работой и синхронизацией независимых ветроустановок с электрической сетью.

Технология Smart Grid характеризуется некоторыми инновационными свойствами, а именно:

1) Активная двунаправленная модель взаимодействия в реальном масштабе времени информационного обмена всеми между элементами и участниками сети, от генераторов энергии до конечных устройств электропотребителей.

2) Охват целой технологической цепочки электроэнергетической системы от энергопроизводителей (как основных, так и независимых) и электрораспределительных сетей до конечных потребителей.

3) Обеспечение почти постоянного контролируемого равновесия между спросом и предложением электрической энергии. Поэтому элементы сети должны постоянно взаимодействовать друг с другом данными о параметрах электрической энергии, режимах потребления и генерации, количестве потребляемой энергии и планируемом потреблении, коммерческой информацией.

4) SmartGrid может эффективно защищаться и самовосстанавливаться от больших перебоев, естественных катастроф, внешних факторов.

5) С экономической точки зрения, SmartGrid способствует возникновению новых рынков, инвесторов и услуг.

Самовосстановление. Получая информацию в режиме реального времени от встроенных датчиков и систем автоматизированного контроля, интеллектуальная сеть непременно вычисляет сбои в системе и реагирует на них, обеспечивая быстрое исправление нарушений. В применении к распределительным сетям нет такого понятия, как «самовосстанавливающаяся» сеть. Если на верхней линии электропередачи возникают неполадки (при условии, что линии по большей части имеют тенденцию работать на радиальной основе), происходит неизбежная потеря мощности. Что касается городских сетей, то они могут быть спроектированы (с помощью специальных топологий) таким образом, что нарушение в одной части сети не приведет к потере энергии для конечных пользователей. Предполагается, что у интеллектуальной сети будет система управления, анализирующая ее производительность с использованием автономных контроллеров.

Потребительское участие. Интеллектуальная сеть по своей сути создана для того, чтобы потребители изменили свое отношение к стоимости электроэнергии или платили по значительно более высоким ценам за гарантию надежного электрического обслуживания даже в условиях перенапряжения. Двухсторонняя связь в режиме реального времени, доступная интеллектуальной сети, позволит пользователям компенсировать усилия по сохранению энергии продавать ее назад в сети. Интеллектуальная сеть совершит революцию в энергетике, разрешая мелким игрокам энергосистемы — домохозяйствам и малым предприятиям —продавать мощность соседям или обратно в сеть. Также смогут поступать и крупные коммерческие предприятия, у которых есть резервные системы мощности.

Противостояние внешним воздействиям. Технологиии интеллектуальных сетей лучше идентифицируют искусственную или естественную дестабилизацию и реагируют на нее. Информация в реальном времени помогает операторам изолировать зоны поражения в сети и переадресовывать энергетические потоки мимо областей повреждения. Одна из самых важных проблем сопротивления нападению — «умный» контроль энергетических сеток, который является основанием контроля и управления интеллектуальными сетями, в целях избежания или смягчения разрушения всей системы, например, при перебоях в подаче электроэнергии.

Поставка энергии более высокого качества. Перебои и издержки качества электроэнергии обходятся промышленности любой страны в миллиарды долларов. Очевидно, что внедрение интеллектуальных сетей во много раз сократит время простоя и исключит тем самым столь глобальные финансовые потери.

Использование всех возможностей производства электроэнергии. Поскольку «умные» сети продолжают поддерживать обычные нагрузки, они так же легко связывают топливные элементы, возобновляемые источники энергии, микротурбины и другие технологии распределения выработки электроэнергии на локальных и региональных уровнях. Интеграция небольшого, ограниченного или локального производства позволит домохозяйствам и промышленным потребителям самостоятельно генерировать и продавать ненужную электроэнергию сети с минимальными техническими или регулирующими издержками. Это также улучшает качество электроэнергии, снижает затраты и предоставляет клиенту свободу выбора.

Стимул к развитию рынка электроэнергии. Существенное расширение возможностей передачи электроэнергии потребует усовершенствования управления сетью передач. Такая реорганизация направлена на создание открытого рынка, где альтернативные источники энергии географически отдаленных мест могут легко быть проданы потребителям в любой точке страны. Благодаря информации в распределенных сетях мелкие производители смогут выработать и реализовать электроэнергию на локальном уровне с помощью альтернативных источников, таких как установленный на крыше гальванический фотощит, небольшие ветровые турбины, микрогидрогенераторы. Без дополнительных сведений, предоставленных датчиками и программным обеспечением, которые мгновенно реагируют на вызванную ненадежными источниками неустойчивость, может ухудшиться качество системы.

Оптимизация инвестиций. Интеллектуальная сеть способна оптимизировать основной капитал, минимизируя издержки на обслуживание и совершение операций. Оптимизированные энергетические потоки сокращают затраты, увеличивается эффективность использования ресурсов для производства более дешевой энергии. Согласование локального распределения с межрегиональными энергетическими потоками улучшает использование существующих сетевых активов и уменьшает потери в сети, что позволяет в конечном счете сформировать дополнительный денежный поток для отрасли и повысить ее капитализацию.

Стимул к развитию неустойчивых альтернативных источников электроэнергии. Изменение климата и экологические проблемы неуклонно ведут к тому, что число возобновляемых источников энергии будет постоянно расти. В основном они неустойчивы в природе. Технологии интеллектуальной сети дадут возможность системам производства электроэнергии работать с большим количеством таких ресурсов.

Опыт использования в Российской Федерации и за рубежом

За пределами РФ начинают разрабатываться программы для использования «умных сетей». За рубежом такие программы называются SMARTGRID.

Использование SMARTGRID, должно в конечном итоге привести к взаимосвязанности и взаимодействию близкорасположенных генерирующих объектов, электросетей и потребителей. Благодаря интеллектуальным возможностям, отказоустойчивости и двустороннего обмена данными. Главным превосходством SMARTGRID считается возможность повсеместного подключения малых генерирующих источников электроэнергии, то есть, имеется ввиду способность адаптироваться к динамике потребления и обеспечение экономии энергии с уменьшением выброса парниковых газов и удовлетворять потребности потребителей. Предлагаемые иностранными корпорациями практические разработки и концепции технического развития благополучно удовлетворяют существующую потребность на локальные интеллектуальные сети в электроэнергетике.

В России электроэнергетическое обеспечение устроено в сложных климатических, технических, экономических условиях, ориентируясь на большие генерирующие объекты, необходим новейший аспект с целью присоединения к существующим сетям различных объектов малой и альтернативной энергетики и соединением с ними локальных сетей электроэнергии. Подобные варианты исполнения в нашем государстве существенно отличаются от используемых в большинстве иностранных государствах, так как отечественная электроэнергетическая система использует другой уровень интегрированности и формируется на основе использования больших систем с существенно высоким уровнем сложности исполнения и, в соответствии с этим, решаемых вопросов принципиального построения и текущего регулирования, что потребует изменения не только присоединяемых объектов, но и всей глобальной электроэнергетической сети на принципах многофункциональной автоматизации. Разрешение проблемы затрудняет присутствие слабых, но в то же время длинных связей, из-за чего ограничивается возможность пропускать большие потоки мощности. Из этого следует, что в нашем государстве необходимо технико-организационное обеспечение. Новый уровень интегрированности электроэнергетической системы, в том числе нужно учитывать перспективные задачи плавного восстановления энергетических систем стран ближнего зарубежья, обмениваться опытом и технологиями.

Умные сети и альтернативные источники энергии

Значительное развитие «умных сетей» было обусловлено не только проблемами в сфере энергосбережения и энергоэффективности, но и полностью установленными задачами, которые необходимо было немедленно разрешать. Значительная часть альтернативной энергетики в Европе увеличивалась, и с этим появлялись соответственные трудности. Возобновляемые источники электроэнергии (ВЭИ), например, такие как ветряная мельница. Она имеет малоприятную отличительную черту, такую как неустойчивую выработку мощности в сеть. Это очевидно, потому что скорость ветра постоянно меняется. Выработку электроэнергии от такого источника энергии тяжело предсказать. Нужно всегда использовать момент с самым мощным ветром, чтобы выработать и передать максимум электроэнергии в сеть. Использование технологии «умных сетей» должно решить данные трудности. Цель усугубляется, если в сети много разных переменных и тяжело предсказуемых источников альтернативной энергии. Однако, «умные сети» призваны упростить данную задачу. Благодаря им возможно использование большего количества малых генерирующих источников электроэнергии в различные периоды времени.

Помимо этого, описанная технология дает возможность группировать в сеть восстанавливаемые источники энергии – к примеру: солнечную и ветровую энергоустановки. Также «умные сети» ведут борьбу с изменением климата, снижая выбросы CO₂, и сокращают потери электроэнергии. Благодаря этому «умные сети» имеют огромный интерес для российской энергетики. Потери во время распределения электроэнергии в нашей стране гораздо больше, чем в Европе или США.

В государственной энергетике доля ветровой и солнечной энергии невероятно мала, и составляет менее 1 % на 2015, по данным компании Enerdata. Для нашего государства, технология «умных сетей» необходима для решения таких проблем, как экономия энергоресурсов и энергосбережение. Имеющаяся система стала неактуальной, на физическом уровне изношена и никак не может эффективно разрешить инновационные задачи. Ведущие производители электроэнергии убеждены в потребности создания новейшей научно-технической платформы национальной единой энергетической системы, непосредственно на основе активно-адаптивных сетей. Потребность ее неоспорима, об этом заявляют на самом высоком уровне.

В настоящее время в Европе и США создается обширная концепция стандартов и условий к устройствам, функциям, элементам и системе взаимодействий SmartGrid. С целью испытания умных сетей начато большое число пилотных проектов, к примеру, использование SMARTGRID на острове, который находится в Балтийском море в 90 км от Швеции. В рамках проекта приблизительно тридцать предприятий и несколько тысяч частных домов будут подключены к умной сети. Кроме традиционных источников в этой сети будут использованы оффшорные и континентальные ветропарки общей мощностью 170 МВт, а кроме того солнечная электростанция мощностью 55 кВт.

Современное положение электроэнергетики Российской Федерации никак не отвечает возрастающей необходимости формирования экономики и общественной структуры государства, и не только большой уровень потерь является аргументом с целью рассмотрения новейших вариантов развития отрасли.

В Российской Федерации концепция SmartGrid в наше время является в качестве идеи интеллектуальной активно-адаптивной сети, которую можно охарактеризовать следующими свойствами:

1. Система сбора и обработки информации (программно-аппаратные комплексы), а кроме того ресурсы управления активными элементами сети и электроустановками потребителей;
2. Насыщенность сети активными элементами, позволяющими изменять топологические параметры сети;
3. Система автоматической оценки текущей ситуации и построения прогнозов работы сети;
4. Высокое быстродействие управляющей системы и информационного обмена;
5. Огромное количество датчиков, измеряющих показатели в реальном времени для оценки состояния сети в различных режимах работы энергосистемы;
6. Наличие важных безотказных исполнительных органов и механизмов, позволяющих в режиме реального времени изменять топологические характеристики сети, а также взаимодействовать с соседними энергетическими объектами;

Главными проблемами, которые мешают внедрить технологии SmartGrid в РФ и в мире, являются:

1. Огромные финансовые инвестиции в процесс внедрения системы SmartGrid и ее дальнейшего обслуживания;
2. Значительное число потребителей, предъявляющих разные условия к качеству электрической энергии;
3. Отсутствие надежных и безопасных накопителей энергии;
4. Отсутствие стандартов и нормативов;
5. Отсутствие мотивации у монополистов рынка, из-за того что их прибыль зависит от объемов проданной электроэнергии, а при внедрении новейших технологий доходы могут значительно уменьшиться.

В соответствии с исследованиями отдела развития и реформирования электроэнергетики ИНЭИРАН, вплоть до 2030 г., формирование интеллектуальной энергетики с применением ВИЭ (доля около 5 % к 2030 г.) в РФ даст возможность уменьшить необходимость в установленной мощности более чем на 10 % (приблизительно 30 ГВт) и электропотребление почти на 8–9 % (около 140 млрд кВт·ч). Немаловажно, что относительный уровень потерь в сетях уменьшится с 30 до 8 % в 2030 г. Экономическая эффективность от развития SmartGrid в РФ в сфере управления спросом, потерями электроэнергии, крупной и распределенной генерацией, надежностью и качеством энергоснабжения выражаются в уменьшении важных расходов на строительство новых генерирующих мощностей, исходя из уменьшенной потребности в мощности; капитальных затрат на строительство электросетевых объектов, исходя из увеличения пропускной способности сети и сниженной пиковой мощности; эксплуатационных затрат в генерации и сетях, прежде всего, топливных затрат, за счет изменения объемов ввода и режимов загрузки ТЭС.

Таблица 1

Итоговые экономические эффекты при развитии SmartGrid в России в ценах 2010г.

Эффект	до 2020г.	2021–2025гг.	2026–2030гг.	Всего
				2015–2030гг.
Снижение ввода мощности электро-станций,
	7,8	15,3	11	34,1
Гвт
Снижение расхода топлива на ТЭС,
Млн т.у.т	4,7	44,1	124,8	173,6
Снижение эмиссии парниковых газов,
Млн т СО2	8,4	75,6	213,6	297,6
Экономические эффекты—всего,
Млрд руб.	716	1172	1560	3448
В том числе снижение капиталовложений
	682	744	527	1953
электростанции	612	671	451	1734
Сетевая инфраструктура	70	73	76	219
Снижение условнопостоянных затрат	17	19	353	389
Снижение топливных затрат	12	192	552	756
Снижение платы за эмиссию парниковых газов
	5	46	128	179

ВЫВОДЫ

Использование «умных» сетей позволяет не только значительно сократить потери, но и более эффективно использовать имеющуюся энергию, интегрировать и распределять энергию из альтернативных источников. В автоматическом режиме можно диагностировать и устранять возникающие проблемы, поставлять электроэнергию в необходимом количестве, сократить затраты энергоресурсов, сократить выбросы в атмосферу углекислого газа. С учетом участия нетрадиционных источников энергии централизованные системы превращаются в распределенную систему.

Перспективным направлением развития энергетики является создание интеллектуальных систем управления энергосистемой состоящей из традиционных источников энергии возобновляемых источников энергии. Оптимизация совместной работы различных источников энергии, повышение энергоэффективности и надёжности работы системы в целом является актуальной проблемой в современной энергетике.

Государству необходимо информировать граждан о новых технологиях и их возможностях, привлекать внимание к энергоэффективности и будущей экономичности данных технологий. На государственном уровне необходимо все больше и больше создавать поселков, городов, имеющих систему, похожую на систему SmartGrid, создавать комфортные условия для установки необходимых модулей, создавать различные льготы. Развитие альтернативной энергетики должно постоянно осуществляться, необходимость в модернизации очевидна, модернизация должна быть нацелена именно для уменьшения стоимости установок и повышении вырабатываемой энергии. Поддержка государства является важным фактором в развитии этой отрасли.

Литература:

1. Гомонов К. Г. Перспективы и экономическая эффективность внедрения интеллектуальных энергосетей в России и в мире // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Экономика.–2015.–№.2.
2. Зайцев А. И. Развитие электроэнергетических систем на базе концепции SmartGrid // Электротехнические комплексы и системы управления.–2013.–№.1.–С.71–76.
3. Отчет о разработке стратегической программы исследований технологической платформы «Интеллектуальная энергетическая система России». — М.: РЭА, 2012.—53с.
4. Глушко С., Пикин С. Технологическая концепция SmartGrid – облик электроэнергетики будущего.–2009.
5. Кобец, Б. Б. Инновационное развитие электроэнергетики на базе концепции SmartGrid /Б. Б. Кобец, И. О. Волкова. – М.:ИАЦЭнергия,2010.–208с.
6. Электроэнергетика России 2030: Целевое видение / Под общ. ред. Б. Ф. Вайнзихера.–М.: АльпинаБизнесБук, 2008.
7. Глущенко П. В. Проблемы интеллектуальной энергетики в России // Экономика и управление.–2013.–№ 5.–С.91.
8. Настоящее и будущее «умных сетей» в России / Рекламно-информационный журнал Электротехнический рынок. № 4(58). 2014. URL:http://market.elec.ru/nomer/53/3.
9. Комплексный технический и коммерческий учет энергоресурсов. [Офиц.сайт]. URL:http://www.ackye.ru/activities/smart-metering/4.
10. Ледин С. С. Интеллектуальные сети SmartGrid– будущее российской энергетики /Автоматизация и IT в энергетике. 2010. № 11.
11. Глушенко Д.В., СапцынаЕ. Ю. Проблема перехода на альтернативные источники энергии // Экономика России в XXI веке: сборник научных трудов XII Международной научно-практической конференции. Экономические науки и прикладные исследования», г. Томск, 17–21 ноября 2015 г. Т.2.—Томск,2015.–Изд-во ТПУ, 2015.–Т.2.–С.322–326.
12. Кобец Б.Б., Волкова И. О. Инновационное развитие электроэнергетики на базе концепции SmartGrid: моногр. // Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета.–2012.–№.25.–С.163–172.
13. Дорофеев В. «Умные» сети в электроэнергетике // Режим доступа: http://www.energyland.info/news-show-45305(30.04.2010г).–2011.
14. The global energy [r] evolution 2010. Greenpeace,2010.
15. Матюшок В. М. Приоритетные направления развития экономики России: формирование и оценка инновационного потенциала/ Национальные интересы: приоритеты и безопасность. Финансы и кредит.–2013.–№ 7(196).–С.2–11.
16. International Energy Outlook 2009. Energy Information Administration. Office of Integrated Analysis and Forecasting U. S. Department of Energy. Washington,DC,2009.