CC BY
11УДК 621.311.1.019.3
Н.И. Воропай, В.А. Стенников, С.М. Сендеров, Е.А. Барахтенко, Л.И. Коверникова, О.Н. Войтов, Т.Б. Ощепкова, Л.В. Семенова1
ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ИНФРАСТРУКТУРНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ РЕГИОНАЛЬНОГО И МЕЖРЕГИОНАЛЬНОГО УРОВНЯ2
Представлена структуризация основных инфраструктурных энергетических систем. Предложены элементы концепции интегрированных инфраструктурных энергетических систем. Обсуждаются два примера взаимодействия интегрированных энергетических систем в аварийных условиях.
Ключевые слова: энергетические системы, интеграция, критические инфраструктуры, элементы концепции, вызовы.
Характеристика проблемы
Энергетические системы, особенно электроэнергетические, газоснабжающие и теплоснабжающие, играют существенную инфраструктурную роль, которая заключается в снабжении потребителей энергией эффективно, с требуемой надежностью и приемлемым качеством энергоносителя. Они имеют развитую транспортно-распределительную сетевую инфраструктуру. Эти энергетические системы обычно подразделяются на [1, 2]:
- производственно-транспортные - суперсистемы (крупные электростанции и теплоэлектроцентрали, крупные котельные, газовые месторождения, подземные газохранилища, транспортные электрические и трубопроводные сети);
- распределительные энергоснабжающие системы - минисистемы, до недавнего времени представлявшие собой распределительные электрические и трубопроводные сети и не имевшие энергетических источников, а в последние десятилетия включающие установки распределенной генерации;
- локальные энергоснабжающие системы -микросистемы, включающие внутренние электрические и трубопроводные сети предприятий, жилых домов, общественных зданий, которые могут иметь собственные локальные источники энергии. Производственно-транспортные энергетические системы (суперсистемы) обладают определенной интеграцией в плане использования энергоносителя одной системы в другой (например, газ как топливо на электростанциях и в котельных, электроэнергия на газоперекачивающих агрегатах и др.), взаимозаменяемости энергоносителей, особенно в аварийных условиях (например, мазут вместо газа на электростанциях и в котельных и др.), комплексного использования первичного энергоносителя для производства нескольких конечных энергоносителей (например, газ как топливо на теплоэлектроцентралях для производства электроэнергии и тепла). Указанная интеграция предопределяет ведущую роль рассматриваемых энергетических систем в топливно-энергетическом комплексе (ТЭК), при этом в результате оптимизации ТЭК определяются рациональные масштабы взаимодействия и взаимовлияния производственно-
1 Николай Иванович Воропай - директор Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН, чл.-корр. РАН, д.т.н., e-mail: voropai@isem.sei.irk.ru;
Валерий Алексеевич Стенников - заместитель директора ИСЭМ СО РАН, д.т.н., профессор, e-mail: sva@isem.sei.irk.ru; Сергей Михайлович Сендеров - заместитель директора ИСЭМ СО РАН, д.т.н., e-mail: ssm@isem.sei.irk.ru; Евгений Алексеевич Барахтенко - старший научный сотрудник ИСЭМ СО РАН, к.т.н., e-mail: barachten-ko@isem.sei.irk.ru; Лидия Ивановна Коверникова - старший научный сотрудник ИСЭМ СО РАН, к.т.н., e-mail: koverniko-va@isem.sei.irk.ru; Олег Николаевич Войтов - ведущий научный сотрудник ИСЭМ СО РАН, к.т.н., e-mail: sdo@isem.sei.irk.ru; Татьяна Борисовна Ощепкова - главный специалист ИСЭМ СО РАН, к.т.н., e-mail: oshepkova@isem.sei.irk.ru; Людмила Васильевна Семенова - ведущий инженер ИСЭМ СО РАН, e-mail: cdo@isem.sei.irk.ru.
2 Работа выполнена в Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН и Центре энергетических систем Сколковского института науки и технологий.
транспортных энергетических систем, а далее их развитие и функционирование и управление ими исследуются независимо. Производственно-транспортные энергетические системы, в силу их масштабности, имеют повышенное внимание в смысле обеспечения эффективности, надежности и качества их функционирования, рациональности развития. Для обеспечения эффективности и надежности этих систем и качества энергоснабжения используются развитые технологии и средства регулирования и автоматики для управления их функционированием [3, 4].
Распределительные энергетические системы (минисистемы) представлены главным образом энергетической инфраструктурой городов, промышленных центров и сельских районов. Эти централизованные системы сформированы либо на базе ТЭЦ с комбинированным производством электрической и тепловой энергии, либо на базе котельных и электростанций с раздельным производством этих видов энергии. Энергетическая инфраструктура городов, промышленных центров и сельских районов включает также газораспределительные сети, доводящие газ до конкретных потребителей. Распределительные энергетические системы городов, в меньшей степени промышленных центров и сельских районов, нередко отличаются большими масштабами, значительной мощностью и объединяют десятки и даже сотни тысяч потребителей. В то же время они имеют упрощенные схемы распределения энергоносителей, недостаточно оснащены средствами регулирования и автоматики, что не позволяет осуществлять управление ими в режиме реального времени и приводит к повышенным финансовым и материальным затратам, а также к значительным потерям энергии [3, 4].
Задачи управления развитием и функционированием систем энергоснабжения городов, промышленных центров и сельских районов в настоящее время решаются раздельно по типам систем, зачастую без увязки между собой получаемых решений [5-7 и др.]. Развиваемое комплексное рассмотрение проблем энергоснабжения регионов [8, 9] ограничивается оптимизацией проектных решений в рамках региональных ТЭК без их дооптимизации на уровне систем энергоснабжения городов, промышленных цен-
тров и сельских районов и без исследования режимов работы этих систем и управления ими. В связи с этим организация скоординированного процесса развития и эксплуатации этих систем и рассмотрение разнотипных энергетических систем в виде единой интегрированной системы энергоснабжения позволяет значительно повысить их безопасность, надежность, экономичность и экологичность. Неизбежное развитие распределенной генерации на базе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии как на уровне систем энергоснабжения, так и непосредственно у потребителей, и их интеграция в централизованные системы требуют реализации новых принципов построения этих систем и создания интеллектуальных систем управления ими с развитым информационно -коммуникационным обеспечением. Объединение разрозненных систем различного типа в единый технологический комплекс обеспечит реализацию новых функциональных возможностей, применение более совершенных техно -логий в эксплуатации и создание интегрированных централизованно-распределенных систем с координированным управлением их режимами и активным участием потребителей в процессе энергоснабжения.
Последнее десятилетие активно проводятся исследования на уровне микросистем [10, 11 и др.]. Этот уровень в России практически пока не рассматривался. Поэтому необходимо, прежде всего, провести тщательный глубокий анализ международного опыта в данной области, а также российской специфики, на основе чего можно было бы сформулировать актуальные направления комплексных исследований.
Элементы концепции
Рассмотренные особенности интегрированных инфраструктурных энергетических систем дают основания для обобщения и развития представлений о проблеме. Концепция интегрированных инфраструктурных энергетических систем может быть образно представлена в виде некоторой трехслойной структуры в трех измерениях наподобие кубика Рубика (см. рис. 1). Определим эти группы слоев следующим образом: слои систем (системы электро-, тепло/хладо- и
Рис. 1. Трехслойная структура интегрированных интеллектуальных энергетических систем в трех измерениях
газоснабжения), слои масштаба (супер-, мини-, микросистемы), слои функций (энергетические, коммуникаций и управления, выработки решений). Рассмотрим более подробно представленную многослойную структуру.
Слои систем особых дополнительных комментариев и уточнений не требуют. Как указывалось выше, это ключевые инфраструктурные энергетические системы. Можно разве что еще раз отметить наличие технологических взаимосвязей между этими энергетическими системами на разных уровнях.
Слои масштаба представляются в виде следующих взаимосвязанных систем:
- суперсистемы включают крупные электростанции (конденсационные и теплоэлектроцентрали), крупные котельные, газовые месторождения, подземные хранилища газа, транспортные электрические, газовые и тепловые сети;
- минисистемы включают миниисточники энергии, подключаемые к распределительным электрическим, тепловым и газовым сетям (мини-ТЭЦ, пиковые котельные, ветропарки, мини-ГЭС, фотоэлектрические комплексы и др.), а также сами упомянутые распределительные сети;
- микросистемы включают одиночные ве-троагрегаты, микротурбинные установ-
ки, солнечные коллекторы и фотопанели, микронакопители электроэнергии и тепла и др.), а также внутридомовые электрические, тепловые и газовые сети.
Упрощенно, в качестве примера, на рис. 2 показаны слои супер-мини-микро-электроэнерге-тических систем как взаимосвязанных систем на разных уровнях.
Слои функций включают следующие составляющие функции:
- энергетические функции - производство, транспорт, распределение и потребление энергоресурсов (электроэнергии, тепла/ холода, газа) на всех уровнях слоев систем и слоев масштаба;
- функции коммуникаций и управления -измерение (получение) информации, ее обработки, передача и представление, а также системы управления режимами и развитием интегрированных интеллектуальных энергетических систем;
- функции выработки решений включают модели и методы обоснования решений по развитию интегрированных энергетических систем, а также настроек систем управления ими.
Отметим достаточно сильные взаимосвязи между слоями функций: слой коммуникаций и управления использует информацию из слоя
Рис. 2. Супер-мини-микро-энергообъединение
энергетических функций (текущие параметры структуры и режима систем, прогнозная информация на близкую и удаленную перспективу и др.), а также результаты работы моделей и методов слоя выработки решений; слой выработки решений использует информацию из слоя энергетических функций и слоя коммуникаций и управления и на этой основе вырабатывает решения для слоя коммуникаций и управления.
Представленная трехслойная структура интегрированных инфраструктурных энергетических систем в трех измерениях дает возможность рассмотреть проблему с разных позиций и более систематично сформулировать задачи исследований.
Примеры интеграционных взаимосвязей в аварийных условиях
1. Авария в газотранспортной сети. Рассмотрим результаты исследований последствий для потребителей на уровне суперсистем при аварии в газотранспортной сети России, которая упрощенно показана на рис. 3. Представим в качестве исходных условий характеристики газотранспортной сети.
Суммарная длина трубопроводов газотранспортной сети России составляет около 160 тыс. км.
Половина этой длины включает трубы больших диаметров - 1020, 1220 и 1420 мм. Более 90% российского газа добывается в одной зоне - на севере Тюменской области Западной Сибири, в 2,5-3 тыс. км от зоны основного газопотребления в европейской части страны. Большая часть транспортных мощностей концентрируется в многониточных транспортных коридорах, отходящих от месторождений Западной Сибири и имеющих пересечения газопроводов. Имеется более 20-ти таких пересечений многониточных газопроводов. Авария на одном газопроводе многониточного коридора или на пересечении многониточных газопроводов может вызвать повреждения других газопроводов и привести к существенной недопоставке газа потребителям. При этом существующие подземные газохранилища имеют ограниченные мощности, которые не позволяют полностью компенсировать недопоставку газа в подобной аварийной ситуации.
Тепловые электростанции (ТЭС) европейской части России и Урала, в том числе более 50% по мощности теплоэлектроцентрали, потребляют основную долю газа в качестве топлива. Потребление газа на ТЭС в стране составляет около 40% от суммарного потребления газа, при этом общая доля газа в котельно-печном топливе сейчас равна примерно 78%. Ограничение или
Рис. 3. Северная часть газотранспортной сети России и Европейского союза
непоставка газа на ТЭС во время аварийных ситуаций будет иметь негативные последствия для производства электроэнергии и тепла с ограничением их поставки потребителям.
Наиболее тяжелые последствия в рассматриваемом плане вероятны в зимний период в условиях пикового потребления электроэнергии и тепла. В этих условиях компенсация дефицита газа возможна реализацией следующих мероприятий:
- частичная замена газа, как топлива, другим видом топлива (для ТЭС с двойной топливоподачей) на период аварийной ситуации;
- дополнительная загрузка ТЭС, использующих другие виды топлива (например, уголь);
- передача электроэнергии в дефицитный регион из других регионов с использованием пропускных способностей межрегиональной электрической сети.
Восстановление газопроводной сети предусматривается в течение 15 дней.
Рассмотренные возможности компенсации последствий дефицита газа были исследованы с использованием потоковой модели системы газоснабжения России [10] и оптимизационной модели ТЭК России [11], которые детально отражают специфические характеристики совместного функционирования различных энергетиче-
ских систем в составе ТЭК в течение суток. Эти модели представляют все территории страны в зоне обслуживания газотранспортной системы России. Иллюстрационные результаты расчетов представим для одного региона - Северо-Западного федерального округа.
Сценарий аварийной ситуации был сформирован на базе аварии на одном из пересечений многониточных магистральных газопроводов в районе Ямала (см. рис. 3). Учитывался наиболее тяжелый период года - январь. В табл. 1 представлены оценки последствий этой аварийной ситуации и возможности их компенсации за счет запасов газа в газохранилищах и использования резервного топлива на ТЭС - мазута с учетом его запасов на конец предшествующего года. Из табл. 1 видно, что доля недоотпущен-ной энергии из-за дефицита газа достаточно велика в некоторых регионах, а требуемый объем мазута превышает его запасы на конец предшествующего года.
Табл. 2 иллюстрирует возможности суточного производства тепла и электроэнергии в субъектах Северо-Западного федерального округа в период аварии в случае компенсации дефицита газа за счет использования запасов мазута. Отметим, что при этом недоотпуск тепла от ТЭЦ и котельных во время аварии ликвидируется полностью, а недоотпуск электроэнергии в некоторых субъектах округа остается (см. табл. 2),
Таблица 2
Возможности суточного производства электроэнергии и тепла в аварийной ситуации при использовании запасов мазута для компенсации дефицита газа
Таблица 1
Возможности компенсации аварийной недопоставки газа для производства электроэнергии и тепла за счет использования запасов мазута на конец года
Субъект РФ Дефицит газа в результате аварии, т у.т./ сут. Недоотпуск энергии, % Потребление мазута до аварии, т у.т./сут. Требуемый объем мазута во время аварии, т у.т./сут. Запасы мазута в январе, т у.т./ сут.
Электроэнергия Тепло
СевероЗападный федеральный округ 70,70 5,39 76,09 20,30
Республика Карелия 3,55 16,6 8,2 2,14 5,69 2,13
Республика Коми 0,00 0 0 1,10 1,10 3,03
Архангельская обл. 0,00 0 0 6,82 6,82 7,12
Вологодская обл. 11,83 28,3 10,0 0,07 11,90 2,01
Калининградская обл. 5,11 60,8 22,0 0,69 5,80 1,21
Ленинградская обл. 62,01 40,4 13,0 2,17 64,18 15,57
Новгородская обл. 0,03 0,2 0 0,10 0,13 0,43
Псковская обл. 0,00 0 0 0,29 0,29 0,29
Субъект РФ Тепло Электроэнергия
Потребление Производство Дефицит Производство до аварии Производство во время аварии Снижение производства
тыс. Гкал % млн кВт.ч %
Северо-Западный федеральный округ 683,7 683,7 0 293,5 248,3 15
Республика Карелия 39,7 39,7 0 14,0 11,8 15
Республика Коми 88,4 88,4 0 30,9 30,9 0
Архангельская обл. 104,8 104,8 0 26,8 26,8 0
Вологодская обл. 70,6 70,6 0 26,3 17,7 33
Калининградская обл. 20,8 20,8 0 10,5 6,9 34
Ленинградская обл. 310,8 310,8 0 177,8 147,0 17
Новгородская обл. 28,8 28,8 0 2,3 2,3 0
Псковская обл. 20,0 20,0 0 4,9 4,9 0
он компенсируется за счет перетоков из соседних федеральных округов, используя основную электрическую сеть ЕЭС России.
Таким образом, взаимосвязи между различными энергетическими системами благодаря их интеграции дают возможности обеспечить на-
дежное энергоснабжение потребителей в случае аварийной ситуации.
2. Авария в системе электроснабжения городского района. Рассмотрим взаимозависимость систем тепло- и электроснабжения городского района (уровень минисистем) в аварийной
Рис. 4. Упрощенная схема системы теплоснабжения района Ново-Ленино г. Иркутска во время аварии
ситуации на примере систем энергоснабжения района Ново-Ленино г. Иркутска.
Упрощенная схема системы теплоснабжения района Ново-Ленино показана на рис. 4. Она включает одну угольную котельную, две электрокотельные и трубопроводную сеть. Общая установленная тепловая мощность источников составляет 496 Гкал/ч, общая тепловая нагрузка района равна 281 Гкал/ч. Общая длина трубопроводов тепловой сети составляет 169 км.
Упрощенная схема системы электроснабжения района Ново-Ленино представлена на рис. 5. Эта система включает четыре питающих подстанции 110/6 кВ, связанные Иркутской региональной ЭЭС, и распределительную электрическую сеть на напряжениях 6 и 0,4 кВ. Количество трансформаторных подстанций 6/0,4 кВ равно 242. Общая длина кабельных линий составляет 188 км. Общая активная и реактивная нагрузка потребителей района равна 50 МВт и 12 МВАр - соответственно.
Аварийная ситуация исследовалась на основе расчетов потокораспределения в послеаварий-ных режимах с использованием программных комплексов СДО-6 [14] и СОСНА [15]. Рассматривался зимний максимум электрической нагрузки и соответствующий моменту его реали-
зации уровень тепловой нагрузки потребителей района.
Сценарий каскадного развития аварии в интегрированной системе электро- и теплоснабжения включал моделирование следующих стадий:
1. Авария на подстанции «Ново-Ленино» системы электроснабжения с потерей питания электрокотельной «Ново-Ленино» и образованием дефицита тепла в объеме около 80 МВт (тепл.).
2. Требуемая тепловая нагрузка частично распределяется между оставшимися в работе двумя тепловыми источниками.
3. Ресурсы оставшихся в работе тепловых источников и тепловой сети не позволяют полностью обесточить требуемую тепловую нагрузку. В результате дефицит тепловой мощности остается в объеме около 10 МВт (тепл.). На рис. 4 показаны места возникновения ограничений в теплопроводах тепловой сети и зоны с дефицитом тепловой мощности.
4. Многие потребители, особенно в зонах дефицита тепловой мощности начинают использовать электронагреватели для поддержания нормальных температурных условий в помещениях.
Западная подстанция
Зона перегрузки
линий и трансформаторов
Подстанция Левобережная
Рис. 5. Упрощенная схема системы электроснабжения района Ново-Ленино г. Иркутска во время аварии
5. Электрическая нагрузка увеличивается на 7 МВт.
6. Происходит перегрузка линий электрической сети и трансформаторов подстанций (см. рис. 5). Потребители в отмеченной на рис. 5 зоне теряют электроснабжение в результате действия устройств защиты от перегрузок.
Таким образом, очевидна сильная взаимозависимость систем тепло- и электроснабжения в аварийных ситуациях.
Заключение
Создание интегрированных энергетических систем как технологической основы энергетики будущего и управление этими системами - важная проблема, требующая активных исследований. Представленные в статье элементы концепции интегрированных инфраструктурных энергетических систем и иллюстрирующие эту концепцию примеры дают основу для таких комплексных исследований.
ЛИТЕРАТУРА
1. Voropai N.I., Stennikov V.A. Integrated smart energy systems - Russian dimension //Int. Symp. on Security in Critical Infrastructures Today, Berlin, Germany, November 5-6, 2013, 6p.
2. Воропай Н.И., Стенников В.А. Интегрированные интеллектуальные энергетические системы //Изв. РАН. Энергетика, 2014, № 1. С. 64-78.
3. Энергетика XXI века: Условия развития, технологии, прогнозы / Н.И. Воропай, Л.С. Беляев, А.В. Лагерев, В.В. Посекалин и др. Новосибирск: Наука, 2004, 386 с.
4. Энергетика XXI века: Системы энергетики и управление ими /Н.И. Воропай, С.В. Подко-вальников, С.М. Сендеров, В.А. Стенников и др. Новосибирск: Наука, 2004, 364 с.
5. Козлов В.А., Билик Н.И., Файбисович Д.А. Справочник по проектированию электроснабжения городов. Л.: Энергоатомиздат, 1986, 286 с.
6. Велихов Л.А. Основы городского хозяйства. М.: Наука, 1996, 480 с.
7. Тырчинский Я.М. Оптимизация проектируемых и эксплуатируемых газораспределительных систем. Л.: Недра, 1988, 239 с.
8. Федяев А.В., Сеннова Е.В., Федяева О.Н., Карасевич А.М. Эффективность развития малых ТЭЦ на базе газотурбинных и дизельных установок при газификации регионов // Теплоэнергетика, 2000, № 1. С. 24-26.
9. Методы и модели разработки региональных энергетических программ / Б.Г. Санеев, А.Д. Соколов, Г.В. Агафонов, А.В. Лагерев и др. Новосибирск: Наука, 2003, 140 с.
10. Hatziargyriou N., Asano H.I., Marnay R., Microgrids // IEEE Power and Energy Magazine, 2007, Vol. 5, №. 4, p. 78-94.
11. Marnay R. Worldwide microgrid development: The evolving power supply paradigm // Applied Power Electronics Conference, Orlando, FL, USA, February 21-24, 2012, 8 p.
12. Voropai N.I., Senderov S.M., Edelev A.V. Detection of «bottlenecks» and ways to overcome emergency situations in gas transportation network // Energy, 2012, Vol. 42. Р. 3-9.
13. Edelev A.V., Beresneva N.M. Software package to study the energy sector development of Russia's Federal Entities in terms of energy security // The Second Int. Sei. Conf. on Sustainable Energy Development, Hanoi, Vietnam, November 3-5, 2011. Р. 49-54.
14. Войтов О.Н., Мантров В.А. ПВКСДО-6
для исследования установившихся режимов электроэнергетических систем // Методы управления физико-техническими системами энергетики в новых условиях. Новосибирск: Наука, 1995, № 4. С. 293-295.
15. Соколов Д.В., Стенников В.А., Ощепкова Т.Б., Барахтенко Е.А. Программный комплекс нового поколения для схемно-параметрической оптимизации многоконтурных теплоснабжающих систем // Теплоэнергетика, 2012, № 4. С. 1-6.
Поступила в редакцию 30.04.2015 г.
N. Voropai, V. Stennikov, S. Senderov, E. Barachtenko, L. Kovernikova, O. Voytov, T. Oshepkova, L. Semenova3
INTEGRATED INFRASTRUCTURAL ENERGY SYSTEMS REGIONAL AND INTERREGIONAL LEVEL
General framework of integrated infrastructural energy systems is presented. Elements of concept of integrated energy systems are suggested. The results of two illustrative study cases are shown and explained.
Key words: energy systems, integration, critical infrastructures, elements of concept, challenges.
3 Nikolai I. Voropai - Director of Melentiev Institute for Energy Systems SO RAS, corresponding member of RAS, Doctor of Engineering, e-mail: kvoropai@isem.sei.irk.ru;
Valery A. Stennikov - Deputy Director, ESI SB RAS, Doctor of Engineering, Professor, e-mail: sva@isem.sei.irk.ru; Sergey M. Senderov - Deputy Director, ESI SB RAS, Doctor of Engineering, e-mail: ssm@isem.sei.irk.ru; Eugene A. Barachtenko - Senior researcher, ESI SB RAS, PhD in Engineering, e-mail: barachtenko@isem.sei.irk.ru; Lidia I. Kovernikova - Senior researcher, ESI SB RAS, PhD in Engineering, e-mail: kovernikova@isem.sei.irk.ru; Oleg N. Voytov - Leading researcher, ESI SB RAS, PhD in Engineering, e-mail: sdo@isem.sei.irk.ru; Tatyana B. Oshepkova - Chief specialist, ESI SB RAS, PhD in Engineering, e-mail: oshepkova@isem.sei.irk.ru; Lyudmila V. Semenova - Leading engineer, ESI SB RAS, e-mail: cdo@isem.sei.irk.ru.
