Умные сети электроснабжения. Интеллектуальные сети энергоснабжения Smart grid на подстанции

Smart Grid - это название глобальной технологии развития электроэнергетической системы на уровне как планеты, отдельных стран и городов, так и отдельных потребителей электрической энергии. Термин и сама технология родились и на данный момент получили наибольшее распространение в США, однако уже можно уверенно констатировать международное признание этой стратегии на планетарном уровне.

Формально термин Smart Grid был впервые оформлен в 2007 году в законодательном акте об энергетической независимости и безопасности США. Так была названа технология модернизации национальной электроэнергетической системы с целью защиты, контроля и оптимизации энергопотребления всех элементов и участников сети.

Предпосылкой развития Smart Grid является общая планетарная стратегия на снижение энергопотребления, а также обеспечение важнейших потребителей мегаполисов качественным и бесперебойным электроснабжением.

Толчком для развития технологий в США можно назвать глобальные перебои с электроснабжением крупнейших городов США в 90-е годы, так называемые энергетические «блэкауты», когда несколько мегаполисов США остались без электрической энергии. После обследования состояния электроэнергетической системы власти США пришли к выводу, что принципиальная схема управления энергосетями в целом мало изменилась с момента ее создания в начале XX века. Нынешний президент США Обама назвал Smart Grid ключевым фактором повышения энергоэффективности и безопасности американской экономики.

Технологической предпосылкой развития Smart Grid, безусловно, явились прорывные достижения информационных, компьютерных технологий, возможности локальных и глобальных коммуникационных сетей, в том числе Интернета.

По уровню развития Smart Grid в 2012 году находится на этапе перехода от разработки принципиальной концепции, проектирования до создания национальных и международных стандартов, реализации отдельных пилотных, а также ряда промышленных проектов. Пока речь идет о наиболее развитых индустриальных странах.

Появление и развитие концепции Smart Grid является понятным и естественным этапом эволюции электроэнергетической системы, обусловленным с одной стороны явными потребностями и проблемами текущего электрического энергорынка, а с другой стороны технологическим прогрессом, в первую очередь в области компьютерных, информационных технологий.

Современное состояние

Действующую электроэнергетическую систему без Smart Grid можно охарактеризовать как пассивную и централизованную, особенно в части последней цепочки - от распределительных сетей до потребителей. Именно в этой части цепочки поставки электроэнергии технология Smart Grid наиболее существенно изменяет принципы функционирования, предлагая новые принципы активного и децентрализованного взаимодействия.

Для понимания основных принципов текущей системы по отношению к принципам функционирования Smart Grid, о которых пойдет речь ниже, рассмотрим пример отдельного здания как конечного потребителя.

В настоящий момент здание с точки зрения взаимодействия с распределительной сетью (110/10/0,4 кВ) является практически полностью пассивным элементом (влияние на качество параметров электросети оставим в стороне, т.к. они существенно не влияют на основной параметр - потребляемую мощность). Это в первую очередь касается влияния здания как потребителя в реальном масштабе времени (т.е. в масштабе текущего месяца, дня, часа, секунды и т.д.) на генерируемую и распределяемую сетью электроэнергию. Здание никак не может влиять ни на объемы электрической мощности, ни на выделенные ресурсы инфраструктуры сети (например, элементы распределительных, трансформаторных подстанций). Более того, сами распределительные сети в большинстве случаев не обладают полной информацией об электропотреблении здания в реальном масштабе времени. Реализация АСКУЭ в этом контексте до сих пор является скорее исключением и используется исключительно в целях коммерческого учета электроэнергии постфактум в рамках ежемесячного интервала.

Коммерческая составляющая взаимодействия, в свою очередь, целиком зависящая от вышеуказанной технологической части, также выглядит пассивной и однонаправленной. Сети в виде энергосбытовых организаций узнают о зданиях и их потребностях только в моменты ежемесячных коммерческих взаиморасчетов, исключая договорные сведения, обновляемые не чаще раза в год. Здания (вернее, потребители в зданиях) платят по фиксированным, централизованным тарифам, распространяющимся на целые районы, города. Тарифы для конечных потребителей изменяются централизованно организационными процедурами с участием государства на длительных интервалах времени. Никакой обратной связи с точки зрения информации о состоянии энергопотребления в здании, возможности взаимодействия, тем более в режиме реального времени, у здания с сетями и тем более централизованными производителями энергии на данный момент нет.

Теперь представьте себе общую картину, в которой крупные производители электроэнергии генерируют и поставляют электроэнергию в объеме, в режимах и по стоимости (!), практически не зависящих от реального состояния электропотребителя в масштабе реального времени. Таким образом, между спросом и предложением отсутствует оперативная связь. С точки зрения надежности функционирования такой сети в условиях дефицита мощности и высоких требований со стороны потребителя такая схема является крайне уязвимой, поскольку не может оперативно выявлять проблемы и реагировать на них на уровне потребителей.

Давайте теперь подумаем о конечных потребителях не только как об отдельных зданиях, но и как о крупных предприятий, районах, городах! Особенно это критически важно для крупнейших мегаполисов с централизованной схемой электроснабжения, когда единые параметры энергоснабжения касаются большого количества разнообразных потребителей и учитывают их индивидуальные характеристики.

Важно отметить, что текущая схема с точки зрения энергоснабжения является полностью однонаправленной, т.е. потребитель только получает электрическую энергию. В последнее время развиваются схемы с аккумуляторами и распределителями энергии, позволяющими накапливать, трансформировать и распределять электрическую энергию между сетями и потребителями. В отличие от текущей схемы, Smart Grid знает о таких элементах и умеет управлять ими. Таким образом, Smart Grid является комплексной технологией, затрагивающей принципы не только взаимодействия участников и устройств, но и распределения самой электрической энергии.

Описанная пассивно-централизованная схема вполне устраивала всех до определенного момента в условиях дешевой электроэнергии, неисчерпаемых возможностей как генераторов энергии, так и распределительных сетей. Однако времена изменились. Рост мегаполисов, увеличение стоимости электроэнергии, требований к качеству электроэнергии, затрат на развитие генерирующей и распределительной инфраструктуры, увеличение риска внешних угроз (терроризм, катаклизмы) явным образом приводит к изменению стратегии развития энергорынка.

Технология Smart Grid характеризуется несколькими инновационными свойствами, отвечающими новым потребностям рынка, среди которых можно выделить следующие:

Активная двунаправленная схема взаимодействия в реальном масштабе времени информационного обмена всеми между элементами и участниками сети, от генераторов энергии до оконечных устройств электропотребителей.
Охват всей технологической цепочки электроэнергетической системы, от энергопроизводителей (как центральных, АЭС, ТЭЦ, ГЭС, так и автономных ДГУ, солнечных индивидуальных генераторов, накопителей энергии), электрораспределительных сетей и конечных потребителей.
Для обеспечения информационного обмена данными в Smart Grid предусмотрено использование цифровых коммуникационных сетей и интерфейсов обмена данными. Одной из важнейших целей Smart Grid является обеспечение практически непрерывного управляемого баланса между спросом и предложением электрической энергии. Для этого элементы сети должны постоянно обмениваться между собой информацией о параметрах электрической энергии, режимах потребления и генерации, количестве потребляемой энергии и планируемом потреблении, коммерческой информацией.
Smart Grid умеет эффективно защищаться и самовосстанавливаться от крупных сбоев, природных катаклизмов, внешних угроз.
Способствует оптимальной эксплуатации инфраструктуры электроэнергетической системы.
С точки зрения общей экономики Smart Grid способствует появлению новых рынков, игроков и услуг.
Благодаря современным технологиям Smart Grid может применяться как в масштабах зданий, предприятий, так и для обычных домашних электрических устройств, например холодильника или стиральной машины. Соответственно, все устройства, входящие в состав Smart Grid, должны быть оснащены техническими средствами, осуществляющими информационное взаимодействие.

Основные преимущества Smart Grid

Надежность и качество электроснабжения

Smart Grid предотвращает массовые отключения, обеспечивает поставку чистой электроэнергии.

Безопасность

Smart Grid постоянно контролирует все элементы сети с точки зрения безопасности их функционирования.

Здесь можно вспомнить как о недавних проблемах с энергоснабжением в Московской области в зимнее время, в связи с погодными условиями и обледенением линий электропередач, так и о проблемах в Москве жарким летом в связи с пожарами на высоковольтных подстанциях.

Энергоэффективность

Снижение потребления электрической энергии. Оптимальное потребление приводит к снижению потребностей в генерирующих мощностях.

Экология и охрана окружающей среды

Самый главный эффект достигается за счет снижения количества и мощностей генерирующих элементов сети. Это ведет, например, к снижению выброса СО в атмосферу.

Финансовые преимущества

Снижение операционных затрат. Потребители имеют точную информацию о стоимости и могут оптимизировать свои затраты на электрическую энергию. Бизнес, в свою очередь, может оптимально планировать и формировать затраты на эксплуатацию и развитие генерации и распределительных сетей.

Указанные преимущества касаются всех участников, от конечных потребителей и энергопоставщиков до всего общества в целом.

Перспективы применения

Продолжим наш пример со зданием, теперь уже с учетом перспективы применения Smart Grid.

Современное здание, оснащенное устройством связи с коммуникационной сетью Smart Grid, может автоматически выбрать режим работы наиболее энергозатратного оборудования (освещение, кондиционирование и приводная вентиляция) в течение недели, с точностью до часа, с учетом оптимального коммерческого тарифа (и потребностей арендаторов), информация о котором была доставлена из местной энергосбытовой компании также по цифровой сети. Соответственно, энергосбытовая компания, имея текущие данные о планируемом энергопотреблении отдельных зданий, может оптимально сконфигурировать свои мощности, в т.ч., например, используя аккумуляторы элеткроэнергии и активные распределительные устройства, закупить необходимую электроэнергию у сетевого поставщика по оптимальным тарифам и т.д. Вся цепочка постоянно обменивается информацией, которая активно используется управляющими элементами для обеспечения сбалансированного графика потребления/генерации и безопасной трансформации и передачи электроэнергии.

Начальный, генерирующей элемент цепи (например, городская ТЭЦ) вместо постоянной генерации максимального количества электрической энергии выдает оптимальную мощность в соответствии с реальным балансом мощности/потребления электроэнергетической системы в текущий момент времени.

Для конкретизации приведем еще пример из жизни современного мегаполиса. Современные коммерческие здания, сложные инфраструктурные объекты вынужденно оснащаются большим количеством систем гарантированного и бесперебойного электроснабжения (ДГУ, ИБП), поскольку рабочие системы централизованного городского электроснабжения не могут более гарантировать качественное снабжение сложной инженерной и компьютерной инфраструктуры таких объектов. Затраты на производство, реализацию и эксплуатацию таких специальных систем электроснабжения являются весьма существенными. Применение Smart Grid позволило бы не только сократить такие затраты, но и в отдельных случаях избежать их полностью.

Конечно, задача перехода к технологиям Smart Grid должна являться долговременной стратегией, инициируемой и поддерживаемой на уровне государства. Переход к столь инновационной технологии предъявляет самые серьезные требования как к технической модернизации основных элементов инфраструктуры, так и к изменению правил работы всего рынка. Основным драйвером такого перехода должна быть государственная стратегия повышения энергоэффективности и безопасности электроэнергетической системы страны в целом.

В России пока можно отметить начальный этап ознакомления и формирования первых организационных инициатив по Smart Grid, а также опробования отдельных технических решений. Пока не будет выработана реальная государственная стратегия по отношению к энергоэффективности, о развитии технологий Smart Grid говорить еще рано. Необходимо также учитывать гигантскую протяженность электрораспределительных сетей в нашей стране и недостаточно развитую инфраструктуру. Однако первые инициативы в этой области у нас уже появляются.

Государственная компания ОАО «Системный оператор Единой энергетической системы», ответственная за контроль и управление электрораспределительными сетями, активно рассматривает Smart Grid и отдельные элементы этой технологии на предмет применения в РФ и уже реализует отдельные пилотные технические проекты.

Как видится, нам необходимо внимательно знакомиться с опытом ведущих стран мира, уже активно пробующих Smart Grid, и делать правильные выводы с учетом нашей вечной российской специфики.

«Умные сети» электроснабжения, именуемые также Smart Grid, что в свою очередь расшифровывается как Self Monitoring Analysis and Reporting Technology, получили известность относительно недавно, хотя начало исследований возможностей создания и внедрения подобных технологий в СССР, США и Европе приходится на 70-е годы, когда речь шла, прежде всего, о самодиагностике. Основными же задачами были повышение надежности работы оборудования и обеспечение возможности дистанционного контроля над его исправной работой.

Сегодня под «умными сетями» , как правило, понимают модернизированные сети электроснабжения, которые включают использование как информационных, так и коммуникационных технологий (ИКТ) с целью сбора информации и о производстве электроэнергии, и об ее потреблении, что позволяет автоматически повышать надежность, эффективность, экономическую выгоду, а также обеспечивает устойчивость производства и корректного распределения электроэнергии.

Новшества, связанные с электронными технологиями, позволили уже в начале XXI века начать устранять недостатки электрических сетей, а также оптимизировать их с экономической точки зрения.

К примеру, технологические ограничения потребления около пиковой мощности сказывается на всех потребителях в равной степени. Плюс ко всему, росла озабоченность относительно экологического ущерба, причиняемого сжиганием ископаемого топлива, что в итоге привело к решению использовать больше возобновляемых источников энергии.

Солнечная энергия и энергия ветра - ресурсы в этом плане полезные, но крайне непостоянные, и поэтому возникает потребность в сложных системах управления, чтобы облегчить подключение этих альтернативных источников к управляемой электрической сети. Более того, получаемая от солнечных батарей мощность (и в меньшей степени - от ветрогенераторов) в некоторых странах ставит под сомнение использование крупных централизованных электростанций.

Налицо тенденция к переходу от централизованной топологии сети на сильно распределенную, когда производство и расход электроэнергии происходит в пределах локальных сетей.

Террористическая угроза в некоторых странах привела к призывам создать более надежную энергетическую систему, которая была бы менее зависима от централизованных электростанций, выступающих потенциальными мишенями для атак.

Так термин Smart Grid получил более широкий смысл и ассоциируется теперь с новом масштабным направлением в энергетике, позволяющем, с одной стороны, решать проблемы, касающиеся энергоэффективности, - сокращать энергопотери, уменьшать затраты ресурсов и снижать объемы выбросов в атмосферу.

С другой же стороны - жизнь современного человека делается более удобной и комфортной, например, при помощи этих технологий можно управлять электроснабжением дома и электроникой в нем.

В 1980 году в США для мониторинга потребления энергии крупными клиентами, было применено автоматическое считывание показаний счетчиков, и эта технология превратилась в Интеллектуальный счётчик 1990-х годов, который сохранял информацию об использовании электроэнергия в разное время суток.

Интеллектуальный счётчик непрерывно связан с производителем энергии, что позволяет вести мониторинг в режиме реального времени, а это, по сути, делает его интерфейсом для устройств быстрого реагирования на спрос и для так называемых «умных розеток» . Самые первые формы управления спросом представляли собой устройства, которые пассивно определяли нагрузку на энергосистему, контролируя изменения частоты источника питания.

Так бытовые и промышленные кондиционеры, а также холодильники и обогреватели могли корректировать свой рабочий цикл во избежание запуска в периоды пиковой нагрузки сети. В 2000 году был запущен в работу итальянский проект Telegestore , обеспечивающий сеть из почти 30 миллионов домов с применением смарт-счетчиков соединённых через цифровую сеть посредством самой линии электропередачи.

Где-то был использован широкополосный доступ по линии электропередачи, в иных случаях - беспроводная ячеистая топология для надежного подключения к различным устройствам в доме, а также для поддержания учета других коммунальных услуг, включая газ и воду.

Настоящую революцию в сфере мониторинга и синхронизации глобальных сетей произвело в начале 1990-х американское агентство Bonneville Power Administration, которое расширило исследование умных сетей датчиками быстрого анализа аномалий качества электроэнергии в значительных географических масштабах.

В результате работы агентства, в 2000 году заработала первая система измерений на широких площадях (WAMS). Китай и ряд других стран сразу переняли новую технологию.

В рамках пилотных проектов «Умные сети» реализуется во многих странах мира: в Республике Корея, в Китае, в США, в Индии, в Японии, в Канаде, и в Евросоюзе. В инновационном развитии электроэнергетического комплекса, путем внедрения «Умных сетей», заинтересована и Россия, где решением задачи занялась компания ФСК ЕЭС, активно вкладывающая средства в разработку интеллектуальных сетей начиная с 2010 года. Эксперты считают, что в случае успеха, потери в электрических сетях России снизятся на 25%.

Академик В. Е. Фортов является академиком-секретарем Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН, директором Объединенного института высоких температур РАН. Его научные исследования признаны, как имеющие фундаментальное значение для развития импульсной и промышленной энергетики, космической физики, управляемого термоядерного синтеза, ракетной техники. Занимал высокие должности: вице-президент РАН; зам. председателя Правительства РФ, председатель Государственного Комитета Рф по науке и технической политике; министр науки и технологий РФ. Имеет высокие награды - как нашей страны, так и зарубежных стран.

Владимир Евгеньевич, в июне в рамках IV Петербургского международного экономического Форума прошел «круглый стол» «Умные сети - Умная энергетика - Умная экономика», который вы вели в качестве модератора. Расскажите, пожалуйста, какой смысл вкладывается в термин «умные сети»?

- «Умные сети», или «Smart Grid», -масштабное направление в современной энергетике. Термин этот появился относительно недавно: энергетика перестает быть просто средством удобной жизни, а становится средством развития всех направлений деятельности человека. Смысл «Smart Grid» в том, чтобы сделать «интеллектуальными» генерацию, передачу и распределение электрической энергии, насытить электрические сети современными средствами диагностики, электронными системами управления, алгоритмами, техническими устройствами типа ограничителей токов короткого замыкания сверхпроводящих линий и многим-многим другим, что сегодня появилось в науке и технике. Грубо говоря, это соединение возможностей информационных технологий, уже привычных для нас из Интернета, с силовой электротехникой.

Это дает выигрыш?

Это дает кратное - в разы - уменьшение потерь при передаче электрической энергии от генератора к потребителю, кратное увеличение надежности энергоснабжения, дает возможность оптимально перераспределять энергетические потоки и тем самым уменьшить пиковые нагрузки (а все электротехнические системы конструируются именно в расчете на пиковые нагрузки). Это, наконец, дает возможность потребителю работать в рынке электроэнергии.

Ведь если раньше потребитель брал электрическую энергию от одного продавца, то теперь он находится в условиях рынка: может выбирать среди генерирующих компаний. В том-то, кстати, и состоял смысл реформ в энергетике - создать конкурентную среду. Но чтобы вы, как потребитель, могли проанализировать - где вам дешевле купить и взять энергию, вы должны точно знать - где и по каким ценам она продается, где сегодня ее избыток, а где недостаток.

Еще одна потребность в «Smart Grid» связана с так называемыми возобновляемыми источниками энергии. И у нас, и в Европе много говорят, что нужно уходить от углеродной энергетики, связанной с сжиганием органического топлива, и переходить на альтернативную энергетику - солнечную, ветровую, водородную и так далее. В частности, это связано также и с развитием электротранспорта, где необходимо иметь рассредоточенные источники питания, зарядки. Но чтобы подключать возобновляемые источники энергии в большую сеть и делать их такими же объектами рынка, как и другие источники, нужны эти самые умные сети - «Smart Grid».

Есть еще старая проблема, связанная с потребителями электрической энергии.

Например, вы подводите электрическую сеть к дому, где, допустим, двести квартир, из которых двадцать квартир не платят за электроэнергию, остальные же платят исправно. Чтобы принудить эти двадцать - ведь в магазине без денег вы не получите товара, а электричество тот же товар - вы должны их отключить, но отключить именно «неплательщиков», при этом соседей не трогать. Сегодня, увы, такой возможности нет, если отключают, то весь дом.

Словом, нужно насытить всю систему от генерации и до потребителя, до розетки в квартире или на предприятии умной электроникой, которая даст точную информацию: сколько вам сегодня электроэнергии могут поставить, по какой цене. И вы через управляющую компанию или сами, если способны это сделать, выбираете оптимального производителя, а завтра - не этого, а другого. Таким образом, необходимо совместить средства диагностики, с одной стороны, с современными средствами управления - с другой, и со средствами принятия решений - с третьей. Это очень непростая задача, если говорить о последнем этапе передачи электроэнергии - к потребителю.

То есть речь идет об уровне гражданина-потребителя и розетки в его квартире?

Нет, серьезные проблемы возникают и на этапах значительно более ранних. Скажем, если в высоковольтных сетях 220 киловольт и выше возникает, например, ток короткого замыкания, то вы должны быстро отключить эту сеть, перераспределить нагрузки в реальном масштабе времени и тем парировать аварию. А для этого нужны новые современные методы ограничения больших токов - в десятки ки-лоампер. Кстати, мы в

Институте высоких температур РАН разработали взрывные размыкатели, которые в несколько микросекунд разрывают килоамперные токи.

Или другая, похожая проблема: скажем, молния попадает в линию электропередач, и происходят очень большие потери - перенапряжения, короткие замыкания, ложное срабатывание автоматики и так далее. В нашем институте разработан взрывомагнитный генератор, который имитирует удар молнии в линию электропередач - он использует энергию взрывчатого вещества (а удельная емкость химических взрывчатых веществ в миллион раз выше, чем конденсаторов) и преобразует в импульс электрического тока - происходит разряд, очень похожий на удар молнии. Наша разработка позволяет сделать оборудование, которое можно поместить на машину, а далее - ездить на реальные ЛЭП, подстанции и проверять заземления, системы ограничения тока и другое электротехническое оборудование.

Третья проблема: когда вы работаете на линии с высоким напряжением и хотите измерить ток и напряжение, вы должны сделать так, чтобы высокое напряжение не попало на измерительный прибор. Раньше это делали с помощью трансформаторов, но трансформаторы по габаритам большие, изоляторы у них тоже немаленькие - по два метра длиной. Оказывается, можно воспользоваться оптоволоконной линией - такие применяются в телефонных и компьютерных коммуникациях - и посмотреть изменение плоскости поляризации фарадеевского вращения и по этому изменению плоскости поляризации на очень маленьком устройстве определить, какой ток там течет

А распространяется ли значение «Smart Grid» на масштабы сетей страны?

Да, нам нужны магистральные или распределительные сети, которые самостоятельно могут контролировать свое состояние и режим работы потребителей, генераторов, электрических линий и подстанций, и автоматически реализовать решения, которые позволяют осуществлять электроснабжение бесперебойно и с максимальной экономической эффективностью. Скажем, «умная сеть» сама должна сформировать управляющее воздействие с достижением оптимального уровня потерь электроэнергии при нарастании перетоков по линиям электропередачи из-за роста потребления у какого-либо крупного потребителя или целого энергообъединения. Должны срабатывать самодиагностика и самовосстановление, при этом автоматически должны выявляться наиболее слабые участки или аварийно опасные элементы сети, и также автоматически схема сети должна перестраиваться во избежание аварии.

Важным элементом умной сети является цифровая подстанция. Работы над подобными проектами ведутся в Европе, США, Японии, Индии, Китае, в том числе и в нашей Федеральной сетевой компании. В такой подстанции вся информация систем контроля, защиты и управления рождается, перерабатывается и управляется в цифровом формате с помощью специальных оптических цифровых измерительных трансформаторов и комплексов цифровой аппаратуры нового поколения.

Словом, российская электроэнергетика должна сформироваться в целостную многоуровневую систему управления с увеличением объемов автоматизации и повышением критической надежности, включая самые слабые и уязвимые звенья, с упреждением системных рисков и угроз и с быстрым реагированием на инциденты и аварии. Вот смысл, который заложен в термине «умные сети», или «Smart Grid».

Представители зарубежных компаний выступали?

На «круглый стол» пришло в пять раз больше заинтересованных участников, чем рассчитывали организаторы. Многих, честно говоря, даже посадить было негде - тем не менее, мы заседали 3,5 часа.

Иностранные участники - представители крупнейших электротехнических компаний мира - выступали очень активно, поделились опытом, проявили интерес к нашему рынку, а это громадный рынок, и многое, что предлагает Российская академия наук, они готовы покупать и внедрять у себя.

Мировой экономический кризис оказался стартовым сигналом к модернизации экономики и чуть не в первую очередь электроэнергетики. Так, Б. Обама в своей известной речи по поводу развития науки тему «умных сетей» выделил отдельно, а совсем недавно также выступил с речью, уже конкретно по поводу энергетики, где он сказал, что «Smart Grid» - направление, которое необходимо активно развивать. И в самом деле, внедрение «Smart Grid» в США уже резко повысило надежность национальных энергетических систем. Поэтому в бюджете США только на программу по развитию «умных сетей» предусмотрено выделение 4,5 миллиарда долларов! Соответственно, Запад увеличивает финансирование науки в данном направлении: доля расходов на науку в энергокомпаниях развитых стран сегодня составляет 3 - 8%.

Отличается ли западный и российский подход к организации «умных сетей»?

Безусловно. Специалисты на Западе стремятся к упорядоченной взаимосвязанности функционирования и взаимодействия компактно расположенных генерирующих объектов, электросетей и потребителей, на территориально-организационном уровне муниципальных образований. Их интересует возможность подключения небольших генерирующих источников электроэнергии, на их рынке диктует спрос на локальные «умные сети».

Управленческие же задачи на межрегиональном, национальном и международном уровне функционирования энергетических систем их заботят пока что меньше.

А в России энергообеспечение потребителей происходит в сложных условиях экономического, технического, природно-климатического характера, мы ориентируемся на крупные генерирующие объекты, у нас иной уровень интегрированности больших систем со значительно более высоким уровнем сложности системных взаимосвязей. Соответственно, нам потребуется перестройка всей глобальной электроэнергетической сети на принципах многофункциональной автоматизации. В том числе - с учетом перспективной задачи восстановления координационного управления энергетических систем стран СНГ.

Кстати, вследствие этой, чисто российской, специфики мы по многим достижениям всегда были впереди: Красноярская ГЭС - была самая мощная, Саяно-Шушенская - самая высотная, первый ветряной двигатель построен здесь, самую длинную энергетическую систему в 2,5 миллиона километров первыми сделали в СССР, самый экономичный парогазовый цикл с КПД 62 процента придумал российский ученый академик Сергей Алексеевич Хри-стианович, первая атомная станция -наша и так далее, и тому подобное. В электронауке и в энергетике у России такого большого отставания, как, например, сейчас в информатике, в медицине никогда не было. Программа «умных сетей» была начата в США всего четыре года назад - для России это небольшая фора.

Для России «умные сети» пока лишь концепция или есть шансы внедрения в практику?

Приступаем к практической реализации. О.М. Бударгин, председатель правления Федеральной сетевой компании Единой энергетической системы, рассказал на «круглом столе», что систематическое недофинансирование в 90-е годы и отсутствие комплексного подхода при применении в сетях новых технологических решений привело к тому, что наши сети сегодня - это, к сожалению, стареющая инфраструктура (50%), физическое и моральное старение электрооборудования, устаревшие информационные системы и системы технологического управления. Поэтому компания планирует в ближайшие три года сформировать новую идеологию и технологическую платформу для преобразований, а два последующих года сделать периодом обкатки новых решений, технологий, осуществления пилотных проектов для полномасштабной реализации «умных сетей».

Инвестиционная программа компании - свыше 200 миллиардов рублей ежегодно. Так компания планирует провести комплексную модернизацию и инновационное развитие всех субъектов электроэнергетики на основе передовых технологий глобально на всей территории страны. Ожидаемое снижение потерь электроэнергии от запланированных мероприятий в сетях всех классов напряжения - около 25 процентов!

Итак, предельно кратко: каково значение «Smart Grid»?

Во-первых, успешность выхода из глобального кризиса и устойчивое посткризисное развитие экономики страны во многом определяется тем, насколько электроэнергетическая отрасль России сможет удовлетворить текущие и перспективные потребности в энергоресурсах и сопутствующих услугах. И, во-вторых, в отличие от некоторых иных направлений науки, где есть, к сожалению, заметное отставание, в теме «умные сети» и западные, и российские ученые, и специалисты начинают почти одновременно.

Извините за крутой поворот темы: чем бы вы занимались, будь вы не физиком, а философом?

Я бы занялся анализом того, что творится в современной России. У нас за последние два кризисных года произошли радикальные экономические перемены - очень болезненные, в первую очередь, болезненные для академической науки. И это при том, что в постсоветское время наука получила возможность быть более открытой, более свободной от идеологических ограничений - это положительный фактор, но при этом она стала «свободной» от денег и поэтому фактически разрушилась очень серьезная цивилизация, которая называлась «наука СССР». Мы потеряли совершенно феноменальный пласт умных людей, научных школ - я бы занялся этим. Разрушилась техническая инфраструктура. Мы совсем недавно, в июне, говорили об этом на заседании Президиума Академии наук, когда подводили итоги экспертизы по поводу аварии на Саяно-Шушенской ГЭС. Мы, российские граждане, сегодня становимся людьми, в которых я не уверен, смогут ли они правильно распорядиться мощным оружием, называемым научно-техническая инфраструктура и оставленным нам в наследство от предыдущей эпохи. Мы не всегда можем поддерживать эту научно-техническую инфраструктуру в работоспособном состоянии, чтобы она выполняла свои функции, и потому она становится опасной уже не только для себя самой, но уже и для окружения, для соседей.

Второе, чем бы я занимался, будь я философом. Колоссальное количество интеллигентных, умных людей потеряло работу, превратилось в бомжей, в попрошаек, в торговцев кедами на Черкизовском рынке и так далее. За каждым из этих событий стоит человек. Но стоит и общество! И как получилось такое, что это общество фактически не борется за свои права? Почему демократические институты, которые являются необходимым условием капиталистического общества (свобода без демократии - это зоопарк), почему та же интеллигенция и то же общество мимо этого проходят?

Далее, если бы был философом, я бы задумался: сегодня отсутствует идеология, и все мы говорим, что это здорово, но это здорово - до поры до времени. Я, например, физик и работал в престижнейших институтах и сейчас работаю в престижном институте, который называется Академия наук, и никогда не чувствовал идеологического прессинга. Не то, чтобы это не распространялось на физиков или нам нечего было сказать, а мы просто не лезли в это дело, это было нам не интересно. Но что происходит сейчас? Подрастает поколение юных граждан, и мы не формулируем перед ними никаких задач. У нас нет идеологии, но уже правильно понимаемой, и мне кажется, что сегодня философия должна дать, может быть, не одну, а набор каких-то идей, предложить какой-то выбор. Не могу согласиться с тем, что человек работает, чтобы быть богатым. Это - путь в никуда. Еще древние философы говорили, что богат не тот, кто много имеет, а тот, кому мало надо. Пусть это странное слово - бездуховность или духовность - но все-таки у человека должно быть что-то в голове, кроме примитивных философских построений. Религия - это слабо. Тут есть, по-моему, очень острые постановки вопросов и, может быть, философы этим занимаются, но я этого не чувствую, понимаете, не вижу их - ни по телевидению, ни в прессе, нигде.

Беседовал Сергей ШАРАКШАНЭ

«Умная» энергетика уверенно шагает по миру, завоёвывая одну страну за другой: США, Швеция, Китай, Дания, Испания, Великобритания. Несколько лет назад концепция Smart Grid 1 пришла и в Россию. Строительство и развитие интеллектуальных сетей стало приоритетным направлением энергетической стратегии нашего государства. Согласно планам Президента и Правительства, к 2030 году будут созданы системообразующие и распределительные электрические системы нового поколения. Серьёзность подобных намерений подтверждает включение расходов на автоматизацию в инвестиционную программу ОАО «ФСК ЕЭС».

Основы Intelligrid

Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE – The Institute of Electrical and Electronics Engineers) определяет Smart Grid как электрические сети, удовлетворяющие требованиям энергоэффективного и экономичного функционирования энергосистемы за счёт скоординированного управления при помощи современных двусторонних коммутаций между подстанциями, аккумулирующими источниками и потребителями. В таблице 1 приведено подробное сравнение Intelligrid и традиционной сети.

Табл. 1. Сравнение основных функций интеллектуальной и традиционной сетей

Сеть сегодня	Перспектива развития (концепция Smart Grid )
Односторонняя коммуникация	Двусторонние коммуникации
Централизованная генерация	Распределённая генерация
Радиальная структура (как правило)	Сеточная структура (как правило)
Оборудование работает до отказа	Жизнь оборудования продлена за счёт самомониторинга и самодиагностики
Ручное восстановление	Автоматическое восстановление
Подверженность системным авариям	Адаптивная защита и автоматика деления сети
Проверка оборудования по месту	Удалённый мониторинг оборудования
Ограниченный контроль сверхтоков	Управление сверхтоками
Недоступная или запоздавшая информация о цене потреблённой энергии	Цена в реальном времени

В масштабах города умная сеть выполняет следующие функции:

Удалённый доступ к распределительным подстанциям, оснащённым системой мониторинга, управления и защиты силового оборудования;
Предотвращение развития аварии за счёт быстрого и селективного отключения повреждённого участка;
Обеспечение в режиме реального времени информацией о состоянии сети, необходимой для оптимального управления потребляемой энергией.

Исходя из вышесказанного очевидно, что интеллект любой энергетической сети начинается с автоматизации оборудования распределительных трансформаторных пунктов (см. схему 1).

Для того чтобы усовершенствованные устройства могли передавать и использовать цифровые данные, при разработке концепции Smart Grid возникла необходимость создания новой информационной модели коммуникации. Эта задача была решена комитетом МЭК ТС57, который разработал протокол МЭК 61850 «Коммуникационные сети и системы подстанций». Он отличается от более ранних стандартов тем, что регламентирует вопросы описания схем подстанции, схем защиты, автоматики и измерений, конфигурации устройств. В стандарте предусматриваются возможности использования новых цифровых измерительных устройств вместо традиционных аналоговых измерителей.

МЭК 61850 активно применяется в разных странах для электрических подстанций, что позволило обеспечить высокий уровень совместимости различных устройств защиты и автоматики (в том числе и аппаратов разных производителей) и снабдить пункты распределения энергии современными средствами связи. Стандарт целесообразно применять прежде всего при сооружении новых подстанций, но многие электроэнергетические компании стремятся использовать его и при выполнении модернизации существующих объектов.

Схема 1. Четыре функциональных уровня для автоматизации оборудования

Совершенствование автоматизации

Для достижения целей, поставленных государством к 2030 году, в первую очередь требуется реконструкция существующих объектов электросетевого комплекса. Частью интеллектуализации действующих сетей должно стать внедрение стандарта МЭК 61850.

В России подобная практика пока не развита, однако в странах Европы уже есть примеры успешно проведённых модернизаций. Так, швейцарская компания «Электростанция Заднего Рейна» (ЭЗР) провела ретрофит открытой подстанции 380/220 кВ в Силсе. Необходимость усовершенствования данного энергетического узла возникла вследствие того, что вторичная система подстанции и основная часть оборудования вторичной цепи на 380 кВ выработали свой ресурс.

Вторичная система подстанции выполняет такие функции, как контроль состояния первичной цепи и защита её от короткого замыкания. Обе задачи решаются при помощи так называемых интеллектуальных электронных устройств, которые через свои входы и выходы соединены с оборудованием первичной цепи и контролируют всю или часть ячеек распределительного пункта.

На подстанции в Силс были внедрены интеллектуальные электронные устройства серии Relion 670 компании АББ , лидера в производстве силового оборудования и технологий для электроэнергетики и автоматизации. Все интеллектуальные электронные устройства присоединены к каналу передачи информации МЭК 61850. Стандарт определяет файл, который содержит все необходимые данные о конфигурации подстанции: от топологии основного оборудования до данных о вторичных цепях.

Вторая часть проекта (220 кВ) была интегрирована с использованием протокола МЭК 61850, для управления подстанцией 380/220кВ с новой системой контроля MicroSCADA Pro. Совместная деятельность компаний АББ и ЭЗР продемонстрировала пригодность стандарта МЭК 61850 для проектов модернизации.

Комплексное решение по автоматизации и первичному оборудованию

Помимо модернизации существующих объектов, для полноценного развития энергетики необходимо строить новые сети. Конечно, для этого нужны современные решения, а именно - создание цифровых подстанций с интеллектуальным первичным и вторичным оборудованием, соединённым посредством протокола связи МЭК 61850. В частности, на новых интеллектуальных объектах должны использоваться цифровые измерительные трансформаторы тока и напряжения (оптические или электронные), многофункциональные приборы измерений и учёта, станционная шина и шина процесса, система синхронизации, новая система отображения и управления подстанцией (SCADA).

Рис. 2. КРУ среднего напряжения UniGearDigital

В этом году специалистами компании АББ была предложена инновационная концепция для создания цифровых распределительных пунктов - КРУ (Комплектное распределительное устройство. - Прим. авт.) среднего напряжения UniGear Digital. Это перспективное решение на основе МЭК 61850, главная особенность которого состоит в объединении электронных измерительных трансформаторов (ЭИТ) тока и напряжения. Оно даёт следующие преимущества:

Экономия до 250 мВт и сокращение выбросов СО2 на 150 тонн за 30 лет (по сравнению с UniGearZS1 на 14 фидеров. - Прим. авт. ) благодаря отсутствию потерь с измерительных трансформаторов;
Сокращение сроков поставки оборудования , в связи с тем, что ЭИТ являются складской позицией и не требуют производства под проект;
Сокращается срок ввода объекта в эксплуатацию , т.к. монтажная группа избавлена от трудоёмких работ по монтажу и коммутации тяжёлых трансформаторов тока и напряжения (ТТ и ТН);
Нет необходимости в объёмных инженерных расчётах для подбора ТТ и ТН. Это связано тем что ЭИТ охватывает весь диапазон электротехнических параметров, а так же при изменении электротехнических параметров сети можно использовать тот же ЭИТ, в отличие от ТТ и ТН.

Ячейка UniGear Digital укомплектована интеллектуальными электронными устройствами серии ABB Relion. Они отличаются от аналогов запатентованным блочным дизайном, который позволяет сократить время на установку, настройку и тестирование устройства защиты. Есть возможность монтировать корпуса до поставки самих аппаратов. Кроме того, релейная защита серии ABB Relion осуществляет высокоэффективный обмен GOOSE-сигналами (так называемая «горизонтальная связь»). Коммуникация релейной защиты и автоматики по данному протоколу обеспечивает расширяемость и гибкость системы.

КРУ среднего напряжения UniGear Digital успешно используются в Китае, Великобритании, Германии, Финляндии и других странах.

Благодаря внедрению «умных» сетей человечество вступит в новую фазу существования, которая будет характеризоваться гармоничным взаимодействием с окружающей средой, улучшением качества жизни и общим экономическим подъёмом.

1 От англ. smart - умный и grid - энергосистема. Также часто встречается термин Intelligrids, который имеет аналогичное значение.

Статья предоставлена пресс-службой компании «АББ»

Общая энергетическая система нашего государства является централизованной системой, в которой практически вся электрическая энергия производится крупными электростанциями. Далее она при помощи электросетей поставляется конечному потребителю. К особенностям такой системы можно отнести тот факт, что ограниченное количество электростанций способно легко поддерживать стабильность между самим производством и потребителями данной энергии. Но если этот баланс будет нарушен, это приведёт к изменению частоты электрического тока. А если эти частотные колебания будут довольно большими, то сеть может стать неустойчивой. Всё это приведёт к аварии.

Как возникла система Smart Grid?

В нынешнее время российские энергосистемы практически не развиваются, что способствует их физическому и моральному износу. Именно поэтому очень актуальным становится вопрос развития в нашей стране сети совершенно нового уровня, в основу которой будут положены передовые достижения и современные технологии, мировая наука и техника. Ведь развитие самой отрасли подразумевает под собой увеличение энергетических мощностей, ввод в работу новых электростанций. Усовершенствование сети многие считают второстепенной задачей. Но это ошибочное мнение. Уже во многих развитых странах мира активно ведутся работы по формированию интеллектуальных сетей. Они получили название Smart Grid. Это является одним из основных сигналов о том, что грядёт смена технологических приоритетов в энергетике.

Интеллектуальные сети Smart Grid

Они представляют собой модернизированную сеть электроснабжения. Умные сети Smart Grid объединяют в себе комплексные инструменты маркетинга и контроля, а также информационные передовые технологии со средствами коммуникации. С их помощью удаётся обнаруживать в автоматическом режиме самые уязвимые, аварийные и опасные участки электросети. После этого данная сеть осуществляет изменение характеристик и схемы самой сети для того, чтобы минимизировать потери и риск возникновения аварийных ситуаций. Всё это гарантирует высокий уровень производительности и предоставление населению качественной электрической энергии.

Исходя из этого можно сделать вывод, что ИС являются самоконтролирующей и автоматически балансирующей энергетической системой, которая позволяет эффективно передавать и распределять энергию. Интеллектуальная сеть способна принимать энергию от любого источника (ветер, солнце, уголь и т.д.) и преобразовывать её в конечный продукт, который поступает непосредственно к потребителю. Техническим её аппаратом служат цифровые управляющие системы, решающие различные задачи искусственного интеллекта. А компьютеризация данной сети потребления даёт возможность максимально точно и эффективно контролировать потребление энергетических ресурсов.

Концепция Smart Grid

Появление и развитие её является естественным этапом формирования электрической энергетической системы. Обусловлено это с потребностью энергетического рынка, на котором активно взаимодействуют потребители и производители. Также это связано с наличием технических возможностей решать эти задачи (применение новых компьютерных и телекоммуникационных технологий).

Концепция Smart Grid определяется различными передовыми особенностями, такими как:

Реализация двухстороннего взаимодействия при помощи обмена данными между всеми существующими элементами сети.
Данная система работает с каждым элементом технологической цепочки производства (солнечные панели, ГЭС, ветровые генераторы, ТЭЦ, различные накопители энергии, АЭС и т.д.) и конечных потребителей.
Применение цифровых коммуникационных сетей даёт возможность обмениваться информацией в реальном времени.
Каждый элемент Smart Grid обязан оснащаться специальными техническими средствами, обеспечивающими информационное взаимодействие.
Благодаря данной системе обеспечивается оптимальная работа электроэнергетической сети.

Технологии Smart Grid

Внедрение интеллектуальных сетей в нашей стране очень важно, учитывая все имеющиеся проблемы в нынешнее время в энергетической отрасли. Однако развитие Smart Grid в России существенно приостанавливает отсутствие нормативной базы, довольно слабые экономические стимулы и то состояние, в котором сейчас находится энергетическая инфраструктура.

Благодаря уже проведённой реформе в данной отрасли удалось создать огромнейшие комплексы. Но в них всё же остались проблемы:

недостаточный уровень зрелости системы мониторинга;
слабый контроль ресурсов;
изношенное состояние основных фондов;
довольно существенные потери электрической энергии и многое другое.

Но это не является причиной опускать руки. Сегодня технологии Smart Grid активно разрабатываются и внедряются во многие сетевые компании с непосредственным участием тут государства. Выполняется это в рамках корпоративного инновационного развития. Всё это важно по той причине, что в нынешнее время происходит настоящая революция в мировой электроэнергетике. Данные интеллектуальные технологии активно внедряются в таких странах, как Китай, США, Япония и Европа. Нашей стране нельзя отставать в этом.

Деконт и Smart Grid

Деконт представляет собой комплекс решений. В них входит телеуправление и контроль, РЗА, АСУТП и энергоучёт. К примеру, Smart Grid в электроэнергетике содержит в себе следующие Деконт-компоненты:

Специальное каналообразующее оборудование, благодаря которому обеспечивается передача информации в современных протоколах по любым существующим физическим средам.
АРМ диспетчер. С его помощью осуществляется комплексное управление самой распределительной сетью.
Микропроцессорный терминал релейной защиты и автоматики.
Цифровые устройства телемеханики для контроля электрическими устройствами.
Многофункциональные модули измерения электрической энергии.

С помощью Деконт решений удаётся унифицировать процесс проектирования, а также комплексного оснащения элементами Smart Grid продукции большинства производителей. Кроме того, такое оборудование минимизирует затраты на обслуживание и внедрение ИС среднего уровня.

Выставка «Электро»

Проходит данное мероприятие каждый год, начиная с 1972 года, в центральном выставочном комплексе нашей страны. Выставка «Электро» - это ежегодное международное мероприятие. Оно заслужило особое внимание не только в России, но и странах СНГ. На данной выставке вы сможете узнать о технологиях Smart Energy & Smart Grid, проектировании и развитии интеллектуальных сетей и систем, передовых технологиях, современном оборудовании в данной отрасли и многом другом. В одном месте соберутся специалисты данной отрасли со всего мира. На проходящем на выставке международном форуме будут подниматься самые актуальные вопросы, решаться первоочередные важные задачи, а также задаваться направление развития энергетики на ближайший год.