Интеллектуальные электрические сети: проблемы и решения Текст научной статьи по специальности «Энергетика»

Научная статья на тему 'Интеллектуальные электрические сети: проблемы и решения' по специальности 'Энергетика' Читать статью
Pdf скачать pdf Quote цитировать Review рецензии ВАК
Авторы
Коды
  • ГРНТИ: 44 — Энергетика
  • ВАК РФ: 05.14.00
  • УДK: 620.9

Статистика по статье
  • 2799
    читатели
  • 402
    скачивания
  • 1
    в избранном
  • 0
    соц.сети

Ключевые слова
  • ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СЕТИ
  • «УМНЫЕ» СЕТИ
  • ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
  • ПОТЕРИ В СЕТЯХ
  • ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
  • SMART GRID
  • ENERGY SAVING
  • TRANSMISSION AND DISTRIBUTION LOSSES
  • INFORMATION SYSTEMS

Аннотация
научной статьи
по энергетике, автор научной работы — Шилин А. Н., Шилин А. А.

В статье проведен анализ развития современной энергетики. Из анализа следует, что наиболее перспективным направлением развития является модернизация энергетики за счет снижения потерь в энергетических системах. Технически эта проблема решается с помощью интеллектуальных сетей. Приведены мероприятия по созданию интеллектуальных электрических сетей и проблемы их внедрения в РФ.

Научная статья по специальности "Энергетика" из научного журнала "Известия Волгоградского государственного технического университета", Шилин А. Н., Шилин А. А.

 
Читайте также
Рецензии [0]

Похожие темы
научных работ
по энергетике , автор научной работы — Шилин А. Н., Шилин А. А.

Текст
научной работы
на тему "Интеллектуальные электрические сети: проблемы и решения". Научная статья по специальности "Энергетика"

Часть II ■
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.311
А. Н. Шилин, А. А. Шилин ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ: ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ Волгоградский государственный технический университет
(e-mail: eltech@vstu.ru)
В статье проведен анализ развития современной энергетики. Из анализа следует, что наиболее перспективным направлением развития является модернизация энергетики за счет снижения потерь в энергетических системах. Технически эта проблема решается с помощью интеллектуальных сетей. Приведены мероприятия по созданию интеллектуальных электрических сетей и проблемы их внедрения в РФ.
Ключевые слова: интеллектуальные сети, «умные» сети, энергосбережения, потери в сетях, информационные системы.
The article analyzes the development of modern energy. From the analysis should be the most promising area of development is the modernization of energy by reducing losses in power systems. Technically, this problem can be solved with the help of intelligent networks (smart grid). The article presents activities on the creation of intelligent electrical networks and problems in their implementation in the Russian Federation.
Keywords: Smart Grid, Energy Saving, transmission and distribution losses, Information Systems.
Актуальность
Единая энергетическая система России представляет собой централизованную систему, в которой большая часть электроэнергии вырабатывается крупными электростанциями, а затем с помощью электросетей поставляется потребителям. Преимущество такой системы состоит в том, что благодаря ограниченному числу электростанций удается достаточно просто поддерживать необходимый баланс между производством и потреблением электроэнергий. Однако в случае нарушения баланса происходит изменение частоты электрического тока, а при значительных колебаниях частоты сеть может стать неустойчивой, что является причиной аварий. В последнее время энергосистема России практически не развивалась и сегодня она характеризуется высокой степенью морального и физического износа, высокими потерями (до 40 %) и пониженным уровнем надежности. Поэтому вопрос о создании сети нового поколения, основанной на последних достижениях отечественной и мировой науки и техники, стоит особенно остро.
В последнее время в стране много дискутируется по вопросам модернизации и развития энергетики. Под развитием отрасли обычно понимается увеличение энергетических мощностей, связанное с вводом новых электростан-
ций, а развитие сетей рассматривается во вторую очередь. В тоже время специалистами предлагался вариант модернизации за счет повышения коэффициента полезного действия и коэффициента использования установленной мощности и обновления сетевого хозяйства для «открытия» запертых мощностей, оптимизации перетоков мощности и снижения потерь в сетях. Этот вариант позволяет получить значительный эффект при меньших затратах на модернизацию.
В то же время во многих странах мира ведутся работы по созданию интеллектуальных электрических сетей. Повышенное внимание к теме интеллектуальных сетей (Smart Grid, «умных», в России - активно-адаптивных сетей) -лишь один из сигналов о смене технологических приоритетов в электроэнергетике.
Основные понятия и определения умных сетей
Как, пожалуй, и во всякой другой инновационной области, в вопросах, касающихся «умных сетей», пока нет терминологической стройности. В настоящее время существует несколько названий этого перспективного направления развития энергетики: умная сеть, сильная сеть, интеллектуальная сеть, активноадаптивная сеть. Интеллектуальные сети (ИС) -это комплекс технических средств, которые в
автоматическом режиме выявляют наиболее слабые и аварийно опасные участки сети, а затем изменяют характеристики и схему сети с целью предотвращения аварии и снижения потерь. Кроме того, интеллектуальная сеть должна обладать функциями самодиагностики и самовосстановления и включать в свой состав передовые сенсорные, коммуникационные и управляющие технологии для повышения эффективности передачи и распределения энергии. Таким образом, интеллектуальная сеть это автоматически балансирующая и самоконтро-лирующаяся энергетическая система, способная принимать энергию от любого источника (уголь, солнце, ветер) и преобразовывать ее в конечный продукт для потребителей (тепло, свет, теплую воду) при минимальном участии людей. Из вышеперечисленных определений и решаемых задач следует, что основным техническим средством ИС являются цифровые управляющие системы, осуществляющие контроль, управление и решение задач искусственного интеллекта. Компьютеризация систем потребления позволит осуществить контроль над потреблением энергоресурсов системами более точным и эффективным.
Очевидно, что такая сложная система должна использовать возможности современной информационной техники, которая существенно повышает уровень «интеллекта» и позволяет решать задачу системной оптимизации.
Зарубежный опыт и пути решения
Электроавтомобили и дома с солнечными коллекторами на крышах, представляющие собой мини-генераторы, явились причиной появления «умных» сетей (Smart grids). Начиная с 70-х годов прошлого века, в Европе и США проводятся эксперименты с созданием «умных» распределительных электрических сетей. Они позволяют создать равновесие между многочисленными производителями и потребителями электроэнергии. В странах ЕС наряду с крупными электростанциями существуют и многочисленные мелкие производители энергии вплоть до так называемых «активных» домов, которые непотребленную электроэнергию возвращают обратно в сеть. С другой стороны, постоянно растет количество потребителей электроэнергии. По мнению создателей «умных» систем в будущем в распоряжении потребителей будет иметься значительное количество разнообразных источников электроэнергии -от электростанций, работающих на различных
носителях, до электростанций, работающих на возобновляемых источниках энергии. Очевидно, что такая сложная система должна использовать возможности современной информационной техники, которая существенно повышает уровень «интеллекта» и позволяет решать задачу системной оптимизации. Необходимо отметить, что в решение климатических проблем «умные» сети способны внести свой вклад. Эксперты полагают, что более чем миллиард тонн эмиссии С02 может быть уменьшен с помощью «умных» сетей к 2020 году. И это на фоне того, что согласно исследованиям концерна «Сименс», потребность в электроэнергии всего человечества удвоится к 2030 году, несмотря на предпринимаемые меры по повышению энергоэффективности. Здесь достаточно упомянуть, что разработанные комиссией ЕС установки предполагают сокращение энергопотребления в странах ЕС именно за счет повышения уровня энергоэффективности к 2017 году на 9 %.
Евросоюз разрабатывает концепцию «Европейская электрическая сеть будущего». Концепция «умных» сетей уже реализована на уровне локальных, как, например, энергоснабжение отдельных зданий или региональных сетей, которые могут охватывать целые районы и даже небольшие государства, такие как Дания. В целом же потенциал «умных» сетей простирается гораздо шире, а именно уже вполне реальными становятся системы, которые, руководствуясь сообщениями от миллионов индивидуальных счетчиков, повышают или понижают тарифные ставки ежечасно, в зависимости от загруженности сети. В некоторых ситуациях счетчики даже реагируют на дефицит энергии, приказывая «умной» бытовой технике временно прекратить работу до восстановления баланса энергии.
По мнению многих экспертов, в умных сетях заложен потенциал, подобный тому, каковой имел Интернет в начале цифровой революции в 1996 году. Американская консалтинговая фирма &$св прогнозирует, что потенциальный рынок «умных» сетей должен быть в 100-1000 раз больше, чем Интернета, а уровень будущих инвестиций в него составит более 100 млрд. долларов. Для Джеффа Иммелта, шефа правления «Дженерал Электрик», «умные» электросети - это «самый большой шанс вложения денег в первой половине этого столетия». Поэтому американское правительство сделало тему «умных» сетей одним из центров тяжести государ-
ственной инвестиционной программы и приняло в феврале этого года программу в размере 4,5 млрд. долларов, направленную на перестройку инфраструктуры электроэнергетики. В Европе «умными» сетями активно занимается «Сименс». Фирма планирует получить заказы не менее чем на 6 млрд. евро для создания подобных сетей. Вольфганг Дехен, глава Энергетического сектора «Сименс», ожидает, что заказы по созданию технологии «умных» сетей достигнут почти 1 млрд. евро в текущем бюджетном году.
В рамках пилотного проекта Cisco и Yello Strom предполагают подключить 70 жилых домов и предприятий к местной сети электропередач и источникам энергии через интеллектуальную IP-сеть. С помощью интеллектуального счетчика Yello Sparzahler пользователи будут в онлайновом режиме получать информацию о потреблении энергии в реальном времени, а установленные в домах системы управления энергией позволят с помощью «интеллектуальных разъемов» настраивать бытовые устройства на автоматическое включение в часы минимальной нагрузки.
Стратегия Cisco в области сетевых технологий включает строительство хорошо защищенной комплексной электрической инфраструктуры, позволяющей управлять всей сетью энергоснабжения - от генерирующих станций до домашних и корпоративных потребителей - как единой целостной системой. Благодаря встроенным интеллектуальным функциям, такая сеть сможет активно распознавать колебания спроса и предложения и оперативно реагировать на них, повышая безопасность и надежность доставки электроэнергии и оптимизируя текущие расходы. «В основе сети Smart Grid лежат новаторские коммуникационные технологии. Без них идея интеллектуальной доставки электроэнергии была бы полной утопией», - считает вице-президент Cisco Михаэль Гансер (Michael Ganser). «Управление электрическим током очень похоже на управление информационными потоками, поэтому принципы работы сетей Smart Grid сходны с принципами Интернета, -добавил сотрудник глобального консалтингового подразделения Cisco IBSG Кристиан Файсст (Christian Feisst). - Разница только в том, что электрические сети включают в свой состав гораздо больше сетевых узлов. Здесь можно применить опыт интеграции и обработки важной информации и оптимизировать потребление электроэнергии». Yello Strom спе-
циализируется на оптимизации электрических систем. Исследования показали, что подобные технологии могут сократить потребление электроэнергии на 10 %. Более того, экономия может достигнуть 15 % и более, если бытовая техника будет включаться в наиболее выгодные промежутки времени. Со временем сокращение потребления энергии в часы пиковой нагрузки поможет избежать ожидаемого на германском энергетическом рынке дефицита генерирующих мощностей. Более того, те, кто сегодня потребляет электроэнергию, могут стать ее поставщиками.
Пилотные проекты по использованию «интеллектуальных сетей» появились в США, Китае, Европе. Консорциум «умных городов» Accenture стал глобальной площадкой для кооперации и продвижения «интеллектуальных технологий» путем обмена знаниями, опытом и идеями, основываясь на принципах активного действия, синергии и использования преимуществ.
К примеру, проект «Умный город - Амстердам» включает установку в домах индикаторов, отображающих исторические и фактические данные по энергопотреблению и советы по способам экономии, использование термостатов и автоматических выключателей питания вместо режимов ожидания, энергоаудит, позволяющий анализировать данные по энергопотреблению для выявления новых способов экономии энергии. «Умные» счетчики измеряют объем энергопотребления, предоставляют контроль электроэнергетическим компаниям и передают информацию конечным пользователям. Установка солнечных панелей на крышах и стенах офисных зданий снижает потребность во внешних источниках питания. Структура энергоснабжения, адаптированная под пользователя, дает возможность пользователям выбирать методы генерации энергии из ветра/воды. Для управления городским освещением используются датчики, производится замена обычных ламп накаливания светодиодными лампами. В «умных» зданиях энергопотребление сокращается путем использование сенсорного включения-выключения света, климатических установок и т.д.
Долгосрочные цели Евросоюза предусматривают:
• 20 % сокращение выбросов CO2
• 20 % экономия энергии
• 20 % возобновляемая энергия
Отечественный опыт
Создание электрической сети нового поколения является стратегически важным направлением и для России. Интеллектуальная сеть качественно новое состояние единой национальной электрической сети (ЕНЭС), которое позволит вывести надежность электроснабжения на принципиально новый уровень, одновременно обеспечив высокую экономическую эффективность работы всей энергосистемы. Причем для этого не надо менять сами сети, достаточно лишь установить дополнительное оборудование, таким образом модернизировать отрасль можно за счет внедрения «умных» сетей. По данным ФСК, построение энергосистемы с интеллектуальной сетью позволит уменьшить потери в российских электрических сетях всех классов напряжения на 25 %, что даст экономию порядка 34-35 млрд. кВт-ч в год. Такой объем энергии в течение года вырабатывается несколькими электростанциями суммарной мощностью 7,5 ГВт. По ориентировочным оценкам академических институтов за счет модернизации сети можно уменьшить потребность в новых мощностях на 22 ГВт и приблизительно на 35 млрд. долларов снизить объем капиталовложений в развитие распределительных и магистральных сетей за счет увеличения пропускной способности сетей по новым технологиям.
Перевод российской Единой национальной электрической сети в формат активно-адаптивной сети позволит повысить системную надежность электросетевого комплекса, снизить капиталовложения в строительство новых объектов, а также гибко регулировать перетоки мощности, обусловленные изменением генерации и потребления. Для интеллектуальной сети характерны более низкие потери электроэнергии при передаче и уменьшение влияния объектов энергетики на экологию. В России размещением оборудования, позволяющего реализовать концепцию «умных» сетей, занимается, в частности, Холдинг МРСК. Первая попытка создания российских «умных» сетей была предпринята в Белгороде (НГ).
Преобразования ЕНЭС в активно-адаптивную сеть дело не одного дня, но уже сегодня Федеральная сетевая компания реализует ряд проектов, которые позволят наделить магистральную сеть новыми качествами.
В качестве примера успешного внедрения элементов интеллектуальной сети можно привести ввод в конце 2009 года батарей статиче-
ских конденсаторов на подстанции 500 кВ «Означенное» (Республика Хакасия). В результате была значительно повышена надежность работы Хакасского энергоузла. В 2013 году для повышения надежности электроснабжения потребителей Хакасии на линии электропередачи 500 кВ Саяно-Шушенская ГЭС - Новокузнецкая будет внедрено управляемое устройство продольной компенсации. В ближайшем будущем элементы активно-адаптивной сети будут применяться на линиях электропередачи 220 кВ вдоль трассы БАМ для нормализации уровня напряжения, а также в крупных мегаполисах для сегментного построения электрической сети, что позволит снизить риски коротких замыканий, стабилизировать напряжение и повысить качество энергоснабжения жилых массивов. Одним из основных элементов активноадаптивной сети является «цифровая» подстанция. Создание таких подстанций - общемировая тенденция, работы над подобными проектами ведутся в Европе и США, Японии, Индии и Китае. Аналогичный проект реализуется и в Федеральной сетевой компании. Идея «цифровой» подстанции заключается в создании систем контроля, защиты и управления нового поколения, в которых вся информация рождается, перерабатывается и управляет оборудованием в цифровом формате. Проект предусматривает разработку и внедрение на подстанциях оптических цифровых измерительных трансформаторов и комплексов цифровой аппаратуры нового поколения. Современная цифровая аппаратура, выполняющая функции защиты и управления, открывает возможности быстрого прямого обмена информацией между устройствами, что позволяет сократить количество устройств и медных кабельных связей и более компактно их расположить. Поэтому цифровые технологии более экономичны на всех стадиях внедрения: при проектировании, монтаже, наладке и в эксплуатации. В России уже разработаны первые опытные образцы интеллектуального измерительного оборудования подстанций - измерительные высоковольтные трансформаторы с цифровым выходом (ОАО «Раменский электротехнический завод "Энергия"»), комплекс приборов учета электроэнергии и телемеханики, работающих в единой системе цифрового обмена (ЗАО «ИТЦ "Континуум+"»). По мнению специалистов, система интеллектуальных сетей способна снизить потери до 40 %. Если исходить из ежегодных потерь в сетях
ФСК на уровне 20 млрд кВт-ч и среднем тарифе на покупку потерь в 0,45 руб., то потребители смогут сэкономить до 3,6 млрд руб. Но чтобы добиться реальной экономии, систему надо распространить и на распределительные сети.
Проблемы внедрения
Единая национальная электрическая сеть -одна из самых крупных в мире и реализация концепции интеллектуальной или активно-
адаптивной сети в ее масштабах потребует массового выпуска высокотехнологичной продукции. Потребуются и совсем новые технологии и материалы. Вместе с ЕНЭС на новый уровень будут вынуждены выйти отраслевая наука, электротехническая промышленность и строительный комплекс. При создании интеллектуальной сети должны использоваться современные средства управления, новые системы диагностики и высокоскоростные системы передачи информации.
Интеллектуальная сеть требует разработки и внедрения целого комплекса инновационного оборудования и технологий: управляемых устройств продольной компенсации, позволяющих повысить предел пропускной способности линий электропередачи, высоковольтных устройств быстрого регулирования напряжения, накопителей электрической энергии на базе мощных аккумуляторных устройств и других устройств. Уже сегодня в ходе реализации инвестиционной программы ФСК применяет элементы интеллектуальной сети и другие инновационные разработки. Долю новых технологий, которые внедряются в ходе строительства и реконструкции энергообъектов, в компании оценивают как 20 % от всего объема применяемого оборудования и систем. Это как импортные, так и отечественные разработки и продукция: электроустановки для повышения адаптивности электрической сети, высокотемпературные провода, полимерные изоляторы, металлические многогранные опоры, винтовые свайные фундаменты, современная (спиральная) арматура для монтажа проводов и тросов, микропроцессорные устройства защиты, системы управления подстанций.
Компания RuggedCom разработала коммуникационную продукцию и технологию для использования в жестких условиях окружающей среды. Защитные компьютерные устройства (RuggedRouter) для подстанции обеспечивают защиту против информационной атаки Smart Grid и безопасный метод применения intersubstation коммуникаций через Smart Grid посредством информационных средств и техноло-
гий. Практически одновременно с этим компания T-Mobile представила новые прочные SIM-карты для установки в «умные» электрические счетчики. SIM-карты для счетчиков изготовлены не из пластика как обычно, а из кремния для того, чтобы лучше выдерживать температурные перепады, изменения влажности и возможные колебания электрического напряжения. По размерам новые карточки примерно в два раза меньше традиционных SIM-карт.
Интеллектуальные сети должны в своем составе содержать системы передачи информации. Современные информационные системы в энергетике должны передавать значительные разнородные по своему составу объемы информации, как следствие этого - разные типы каналов передачи и передающего оборудования. В связи развитием систем телекоммуникации и цифровых систем обработки информации некоторые проблемы энергетики, например, проблемы регистрации аварийных режимов и передачи информации и координатах места и видах аварии могут быть решены на принципиально другом уровне. Так, например, в энергетике места повреждения определяются по сработанным электромеханическим регистраторам с помощью визуального осмотра всей лини электропередачи.
Согласно докладу Pike Research, технологиям автоматизации «умной сети» отведено 84 % от общей суммы инвестиций, новым системам учета потребления газа, электричества и воды -около 14 %, а станциям перезарядки электротранспорта - всего лишь 2 %.
Сейчас разработке «умной сети» препятствуют не только технические и финансовые ограничения, но и банальное отсутствие видения всей картины у отдельных участников проекта и недоверие к партнерам, вызванное недопониманием всех аспектов будущей системы. В качестве положительного необходимо отметить то, что в России пришли к общему мнению по задачам, которые ставятся перед сетью: улучшение безопасности и надежности коммунальных систем, корректировка спроса и предложения на производство электроэнергии, повышение функциональности и эффективности элементов системы, а также снижение общего влияния энергетической промышленности на изменение климата. Однако для реализации этого проекта в России недостаточно инвестиций, хотя эффект от внедрения в России интеллектуальных сетей по экспертным оценкам, позволит почти на четверть уменьшить удельные капитальные вложения в развитие сетей.

читать описание
Star side в избранное
скачать
цитировать
наверх