CC BY
221
TECHNICAL SCIENCES
CURRENT TECHNOLOGIES FOR DIGITALIZATION OF POWER GRID
FACILITIES
12 3
Stashko V.I. , Belitsyn I.V. , Pobedinskiy G.A. (Russian Federation) Email: Stashko337@scientifictext.ru
1Stashko Vasiliy Ivanovich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor; 2Belitsyn Igor Vladimirovich - Candidate of Pedagogical Sciences, Associate Professor; 3Pobedinskiy Georgiy Aleksandrovich - Undergraduate, POWER SUPPLY OF INDUSTRIAL ENTERPRISES DEPARTMENT, ALTAI STATE TECHNICAL UNIVERSITY NAMED AFTER I.I. POLZUNOV,
BARNAUL
Abstract: the article deals with the introduction of digital technologies in the power grid complex of the Russian Federation according to the Smart Grid concept. The set of main components of the smart grid is analyzed, as well as a step-by-step scheme of its development based on world experience in the field of electric power. In addition, the accompanying technologies of digitalization of power grid facilities, especially digital substations, are covered in detail. The advantages of digital substations are analyzed, in particular, the advantages of standardization in the future.
Keywords: digitalization, electric grid, smart grid, digital substation, standardization, demand management, development strategy.
АКТУАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЦИФРОВИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОСЕТЕВЫХ ОБЪЕКТОВ
1 2 3
Сташко В.И. , Белицын И.В. , Побединский Г.А. (Российская Федерация)
1Сташко Василий Иванович - кандидат технических наук, доцент; 2Белицын Игорь Владимирович - кандидат педагогических наук, доцент; 3Побединский Георгий Александрович - магистрант, кафедра электроснабжения промышленных предприятий, Алтайский Государственный Технический университет им. И.И. Ползунова,
г. Барнаул
Аннотация: в статье рассмотрен вопрос внедрения цифровых технологий в электросетевой комплекс Российской Федерации согласно концепции Smart Grid. Разобрана совокупность основных компонентов интеллектуальной сети, а также поэтапная схема ее развития на основе мирового опыта в сфере электроэнергетики. Кроме того, подробно освещены сопутствующие ей технологии цифровизации электросетевых объектов, в особенности цифровые подстанции. Дан анализ преимуществ цифровых подстанций, в частности, преимущества стандартизации в перспективе.
Ключевые слова: цифровизация, электрическая сеть, интеллектуальная сеть, цифровая подстанция, стандартизация, управление спросом, стратегия развития.
1 Структура электрических сетей России 1.1 Общие сведения
Электрические сети - технические устройства, предназначенные для передачи электроэнергии от электрических станций к потребителям и распределения энергии между потребителями [1, с.5].
Электрические сети состоят из передающих и преобразующих элементов. К первым относятся линии электропередачи (ЛЭП), ко вторым трансформаторы и дополнительные устройства, служащие для регулирования режимов и защиты электрических сетей.
Самой крупной электросетевой компанией России является Федеральная сетевая компания (ФСК), которая контролирует магистральные электрические сети (МЭС). МЭС представляют собой ЛЭП высокого напряжения (220 кВ, 330 кВ, 500 кВ и выше), связывающие между собой отдельные крупные энергосистемы по всей стране, и позволяющие передавать значительные объемы электроэнергии на большие расстояния. ФСК играет важнейшую роль в экономике всей страны, поэтому она контролируется государством.
Вторыми по масштабу электросетевыми компаниями России являются межрегиональные распределительные сетевые компании (МРСК), объединенные в единый холдинг. Они обеспечивают передачу и распределение электрической энергии на региональном уровне.
Обслуживанием электросетей небольших муниципальных образований занимаются территориальные сетевые организации (ТСО).
1.2 Электрические сети Алтайского края
Электросетевые компании Алтайского края в первую очередь представлены ПАО «МРСК Сибири», в частности филиалом компании «Алтайэнерго». В филиале Алтайского края действуют 57 районов электрических сетей (РЭС). Также Алтайский край входит в территорию обслуживания ПАО «ФСК ЕЭС».
Среди прочих электросетевых компаний Алтайского края можно выделить АО «Сетевая компания Алтайкрайэнерго», в состав которой входят 9 отделений по всему региону, ООО «Барнаульская сетевая компания», ООО «Южно-Сибирская энергетическая компания» и многие другие.
2 Цифровизация электросетевых объектов
В последнее десятилетие в наиболее развитых странах имеет место тенденция к переходу от традиционной энергетики к концепции «цифровой энергетики». Этот процесс получил название «цифровизация».
Цифровая трансформация сети - оптимизация и/или изменение логики технологического процесса в результате внедрения цифровых технологий [8, с. 3].
Со стремительным развитием использования возобновляемых источников энергии и большой долей децентрализации энергосистем, управление ими становится все более тяжелой задачей. Внедрение цифровых и интеллектуальных систем в энергетических комплекс открывает новые возможности управления энергосистемами. Использование интернета для мониторинга состояния оборудования и управления им, автоматизация оборудования, распространение персональных накопителей энергии позволяет потребителям принимать непосредственное участие в распределении электроэнергии.
На текущий момент основными технологиями цифровизации электрических сетей являются: умные сети (Smart Grid), реклоузеры, цифровые подстанции и умные накопители энергии.
2.1 Умные сети (Smart Grid)
Ученые из Института инженеров электротехники и электроники (IEEE) составили наиболее общее и технически верное определение концепции «Smart Grid» на данный момент. Опираясь на их определение можно сказать, что Smart Grid - это полностью саморегулирующаяся и самообновляющаяся электроэнергетическая система с сетевой топологией, включающей все источники генерации, магистральные и распределительные сети и все виды потребителей электроэнергии, управление которыми осуществляется с помощью единой сети информационно-управляющих устройств и систем реального времени [10].
На самом деле умная сеть представляет собой не одну, а две сети - электрическую и информационно-управляющую, которые функционируют одновременно и дополняют друг друга. Таким образом, все компоненты электрической сети управляются при помощи «умных» устройств, объединенных в единую сеть.
11
Из основных конкурентных преимуществ интеллектуальных сетевых систем можно выделить: локальные измерения и мониторинг; возможность дистанционных измерений и контроля; общее повышение качества электроэнергии; низкие эксплуатационные расходы; сведение к минимуму дорогостоящих визуальных проверок; автоматический учет времени и рабочих параметров оборудования для своевременного проведения профилактических ремонтных работ; снижение потерь электрической энергии; более экологически выгодные условия использования; минимизация светового и шумового загрязнения окружающей среды; высокий уровень надежности; мгновенный доступ к базе данных системы [7, с. 2].
2.1.1 Компоненты умной сети
1. Умные устройства. Устройства для мониторинга и управления, объединенные общей беспроводной сетью и способные работать интерактивно и автономно.
2. Хранилища энергии. Из-за несоответствия между пиковым потреблением и пиковой доступностью электроэнергии важно найти методы ее хранения для дальнейшего использования. Возможность накопления энергии повышает надежность и отказоустойчивость работы коммунальных сетей и потребителей электроэнергии.
3. Электрическая сеть. Система передачи электроэнергии, являющаяся основой для построения интеллектуальной сети. Линии электропередачи, оборудованные умными устройствами для оценки стабильности в реальном времени, должны выдерживать непредвиденные и динамические изменения нагрузки без прерывания обслуживания.
4. Интеллектуальная распределительная сеть. Автоматизированная распределительная сеть для передачи электроэнергии потребителю. Сеть должна быть оснащена функцией самообучения, включая модули для автоматического выставления счетов, обнаружения неисправностей, оптимизации напряжения, а также ценообразования в режиме реального времени.
5. Система управления спросом. Управление спросом предполагает снижение потребления электроэнергии потребителем в пиковые часы и последующее получение выручки в следствие такого снижения [3, с. 2598]. Это достигается, к примеру, за счет использования собственных источников энергоснабжения потребителя, в том числе за счет использования вышеупомянутых хранилищ энергии, путем частичного отключения освещения и т.п.
Эффект потребительского участия в управлении спросом можно в упрощенном виде проследить на графике на рис.1. Кривая предложения П показывает, что с увеличением количества требуемой энергии цена на нее возрастает многократно, что связано с вовлечением в работу более дорогих генераторов. Снижение потребления на величину ДК приводит к переходу от кривой спроса С1, ко кривой спроса С2, что дает разницу в цене величиной ДЦ.
Ц1 1й|
4Ц /н 1 1* 1 П 1
Ф П / \ 1 / 1 А \ ■ 1 1 д г 1 \ г \ 1 ■х.
1 <
КЗ К1 к
Рис. 1. Эффект управления спросом. Ц - цена, К - количество, С1, С2 - кривые спроса, П - кривая предложения
2.1.2 Этапы развития Smart Grid
В настоящий момент, в мире сложилось понимание того, что быстрый переход к идеальной цифровой модели электроэнергетики невозможен. В связи с этим выделяют три этапа развития интеллектуальных сетей, постепенный переход по которым приведет к целевой модели Smart Grid [7, с.2].
Первый этап развития Smart Grid заключается в создании электроэнергетической инфраструктуры, при которой отдельные системные блоки и устройства могут быть подключены к сети без использования единых цифровых стандартов.
Второй этап развития Smart Grid - это такое состояние электроэнергетической инфраструктуры, при котором любой системный блок или устройство возможно подключить к сети только при условии ее переключения на единый протокол передачи данных.
И наконец, третий этап развития Smart Grid представляет собой единую стандартизированную цифровую энергетическую систему, построенную на принципах децентрализованного управления и равного участия поставщиков и потребителей в процессе генерации, распределения и потребления.
2.2 Цифровые подстанции
Цифровая подстанция - это подстанция с высокоавтоматизированным управлением, где практически все процессы обмена информацией между компонентами подстанции, связи с внешними системами и управления работой подстанции должны осуществляться в цифровом виде на основе принятых протоколов передачи данных [2, с. 78].
Цифровые подстанции являются ключевым звеном концепции «Smart Grid». Как и сама концепция интеллектуальных сетей, цифровые подстанции подразумевают синтез электросетевой и информационной инфраструктур.
Главная особенность цифровой подстанции заключается в том, что все ее вторичные цепи - это цифровые каналы передачи данных, образующие единую шину процесса. Благодаря этому появляется возможность отказаться от массы металлических кабельных связей, отдельных устройств и различных дополнительных затрат [6, с. 94].
Помимо автоматизации управления и цифровизации информационных связей, важнейшими преимуществами цифровой подстанции являются стандартизация алгоритмов и независимость от имеющейся технологии передачи данных.
Принципы устройства цифровой подстанции изложены в стандарте МЭК-61850. Идея состоит в создании виртуальной модели цифровой подстанции и стандартизации всех ее вторичных систем, и привязки этой модели к реальным протоколам передачи данных. При этом происходит разделение базовых функций системы автоматизации подстанции и транспортной системы передачи сигналов [9].
Стандартизация вторичных систем подстанции позволяет изменять конфигурацию подстанции в зависимости от надобности (например, в целях экономии или усовершенствования). Все функции стандартизированы и не зависят от применяемого оборудования.
Масштабное внедрение цифровых подстанций в инфраструктуру страны на сегодняшний день является тяжелой задачей. Это обусловлено тем, что начинающаяся стандартизация предполагает множество дополнительных затрат. Необходимо производить новое оборудование, проводить переподготовку персонала, изменять устоявшиеся правила строительства и эксплуатации.
По мнению Головщикова В. О. необходимо реализовывать проекты цифровых подстанций либо при строительстве новой ПС, либо при полной модернизации существующей [5, с.225]. Данное утверждение обоснованно тем, что физический износ российских подстанций в среднем превышает 60%, что делает бессмысленной установку дорогостоящих устройств на оборудование, подлежащее замене.
Тем не менее, стандартизация упрощает строительство подстанций в перспективе. Стандартизированное оборудование легче производить, а массовое применение делает его
дешевле. Также стандартизация упрощает и ускоряет проектирование подстанций, а возможность цифровой настройки оборудования сокращает время наладки.
3 Развитие Smart Grid в России
Началом разработки концепции «Smart Grid» в промышленно развитых странах стало формирование четкого стратегического видения целей и задач развития электроэнергетики, которое отвечало бы постоянно растущим требованиям общества и заинтересованных сторон, а именно: государства, науки, производителей, предпринимательства, потребителей и др. [4, с. 82]. Система взаимосвязи заинтересованных сторон, требований и эффектов в процессе реализации концепции Smart Grid в России показана на рис. 2.
Энергетичесхие компании
Оптовый рынок электроэнергии Розничный рынок электроэнергии Сетевые компании Распределительные сетевые компании Улучшение эксплуатации Прозрачная бухглатерсхая и биллиногвая системы Совершенствование процессов управления питанием Снижение потерь электроэнергии ТО и мониторинг в реальном времени Системное планирование
Органы власти
Органы государственного регулирования
России в сфере электроенергетики Оператор оптового рынка электроэнергии
Повышение надежности электроснабжения Прозрачная система учета электроэнергии Совершенствование процессов управления питанием Снижение потерь электроэнергии Снижение тарифов на электроэнергию
Потребители электроэнергии
Промышленные, коммерческие
Повышение надежности электроснабжения Повышение общего уровня обслуживания Доступ к информации о источнике питания в режиме реального времени Возможность контролировать уровень электропотребления Возможность участия в процессе управления опросом
Население страны
Повышение надежности электроснабжения Повышение общего уровня обслуживания Доступ к информации о источнике питания в режиме реального времени Возможность контролировать уровень электропотребления Возможность участия в процессе управления опросом
Госудраство и общество
снижение цен на электроэнергию Снижение потребительских расходов за смет повышения надежности Повышение безопасности сети за счет повышения ее стабильности Сокращение выборооовза смет интеграции возобновляемых источников энергии новые рабочие места и рост ВВП Возможность инновационного развития сектора передачи и распределения электорэнергии
Рис. 2. Система взаимосвязи заинтересованных групп, требований и эффектов в процессе внедрения
цифровизации
3.1. Этапы перехода к цифровой модели электроэнергетики в России Опыт развития цифровой электроэнергетики в мире свидетельствует о том, что интеллектуальные сети могут быть созданы в несколько этапов. Некоторые этапы могут быть реализованы параллельно.
Возможный перечень этапов перехода к цифровой модели электроэнергетики в России:
1. Создание нового «умного» электрооборудования, а также систем контроля состояния, автоматизации, самовосстановления, релейной защиты, учета электроэнергии.
2. Создание информационной инфраструктуры и ее объединение с электросетевой инфраструктурой. Оптимизация всех систем управления сетью.
3. Создание нормативно-правовой базы и нового спектра услуг, оказываемых субъектами электроэнергетики.
4. Создание пилотных проектов. Оценка социальных, экономических и др. эффектов. Создание региональных систем управления.
5. Расширение интеллектуальной сети. Интеграция успешных пилотных проектов в единую электроэнергетическую систему.
Список литературы / References
1. Лыкин А.В. Электроэнергетические системы и сети : учебник для вузов / А. В. Лыкин. Москва: Издательство Юрайт, 2019. 360 с.
2. Власенко С.А. Определение уязвимостей и меры по информационной защите цифровой тяговой подстанции / С.А. Власенко, И.В. Игнатенко, Е.Ю. Тряпкин // Транспорт Азиатско-Тихоокеанского региона, 2019. № 4. С.78-82.
3. Dileep G. A survey on smart grid technologies and applications // Renewable Energy, 2020. № 146. P. 2589-2625.
4. Zaverbnyj A.S. Problems and prospects of implementation the structures of the intellectual electricity networks in Ukraine to increase the level of energy security /A.S. Zaverbnyj, H.I. Pushak // Economic Bulletin of Donbass, 2019. № 4. P. 80-86.
5. Головщиков В.О. Цифровая подстанция - основной элемент цифровой электроэнергетической системы / В.О. Головщиков // Современные технологии и научно-технический прогресс: материалы конф. Ангарск, 2019. С. 224-225.
6. Цифровые подстанции - шаг в будущее энергетики / В.А. Виноградов [и др.] // Фундаментальные и прикладные научные исследования: актуальные вопросы, достижения и инновации: материалы конф. Пенза, 2019. С. 91-94.
7. Development of intelligent energy systems: the concept of smart grids in Uzbekistan / S. Khushiev [and oth.] // 2020 International conference on sustainable futures: Environmental, Technological, Social and Economic Matters: conf. materials. Kryvyi Rih, 2020. P. 6.
8. Концепция цифровая трансформация 2030. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.rosseti.ru/investment/Kontseptsiya_Tsifrovaya_transformatsiya_2030/ (дата обращения: 08.10.2020).
9. Проект РЗА. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://pro-rza.ru/ (дата обращения: 09.10.2020).
10. IEEE Xplore. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ieeexplore.ieee.org/ (дата обращения: 10.10.2020).
