КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ "УМНОГО" ГОРОДА Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 621.311

Ю.Н. Кучеров, Ю.Г. Федоров1

КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ «УМНОГО» ГОРОДА

В статье анализируются современные тенденции и подходы к планированию городского хозяйства с акцентом на энергетическую инфраструктуру. Рассматриваются характерные направления и проекты формирования «умных» городов в зарубежных странах. Отмечен комплексный подход к развитию системы энергоснабжения, выделены основные направления ее интеллектуализации. Определены общие требования к «умной» системе электроснабжения города, дан ряд рекомендаций по развитию энергосистемы Москвы с учетом ее особенностей и перспективных энерготехнологий.

Ключевые слова: устойчивое развитие, «умный» город, энергоснабжение, энергосистема, инфраструктура, управление, новые технологии.

Основные тенденции в развитии подходов к планированию городской инфраструктуры

Развитие общества в странах с развитой рыночной экономикой и социальными институтами в настоящее время рассматривается как комплексная задача достижения благополучия. При этом благополучие оценивается уже не только уровнем совокупного дохода, но и системой показателей, отражающих социальную сферу, что в целом характеризует качество жизни [1]. На фоне стремительного технологического развития современного общества формируются условия для практической реализации задачи повышения качества жизни на новом технологическом уровне.

Социальное и технологическое направления развития тесно связаны между собой и оказывают совместное воздействие на социотех-нические системы, ярким примером которых являются электроэнергетические системы [2]. Взаимозависимость социальной и технической составляющих системы отражается в организации электроснабжения (централизованное/ децентрализованное), характере электропотребления (промышленное/бытовое), форме реализации инновационных проектов (системные/несистемные) и др.

Повышенное внимание современного общества к интересам и запросам индивидуума способствует формированию клиентоориентиро-ванных систем электроснабжения с акцентом на

качество обслуживания конечных потребителей. В целом задача повышения качества жизни в условиях интенсивной урбанизации формулируется в первую очередь применительно к крупным городам и мегаполисам.

В мире накапливается опыт управления территориальным развитием на национальном и региональном уровнях, а также планирования гармоничного развития городских агломераций [3]. Развитие городской среды представляет собой чередующиеся этапы нарастания проблем и посткризисной трансформации. При этом современный опыт показывает, что успешное развитие городов, в том числе как центров регионального значения, напрямую связано с наличием программы взаимодействия субъектов и применением распределенного типа управления.

В начале XXI в. территориальное развитие связывают с концепцией Smart City - «умного» города. Данная концепция представляет развитие подхода по обеспечению качества жизни в соответствии с критерием устойчивого развития, который связывает текущие потребности общества с ограничениями на способность их удовлетворения как в настоящее время, так и в будущем [4]. Понятие устойчивого развития включает социально-экономическое и технологическое развитие, а также защиту окружающей среды. Отличительной чертой «умного» города является широкое использование информационно-коммуникационных технологий.

1 Юрий Николаевич Кучеров - начальник Департамента технического регулирования ОАО «СО ЕЭС», д.т.н., e-mail: kucherov@so-ups.ru; Юрий Геннадьевич Федоров - главный специалист Департамента технического регулирования ОАО «СО ЕЭС», e-mail: fedorov-yg@so-ups.ru

Несмотря не отсутствие единой терминологии, в целом можно выделить несколько основных направлений при формировании «умного» города, которые в данном контексте получают характеристику Smart (см. таблицу): экономика, окружающая среда, управление, среда обитания, транспорт, люди [5].

При комплексном подходе в поле зрения генерального проектировщика города попадает все большее количество сфер жизнеобеспечения: энергоснабжение и коммунальные услуги, транспорт и логистика, недвижимость и строительство, бизнес и финансы, здравоохранение и образование, общественная безопасность, утилизация отходов и др. Особое внимание уделяется организации «умного» управления городским хозяйством в целом, которое замыкает большой цикл от производства необходимых форм энергии, продукции и услуг до обеспечения социальной и экологической устойчивости.

Пионером в области Smart City в Европе считается Амстердам (Голландия), начавший реализацию соответствующих программ в 2009 году. В настоящее время в городе реализуется более 40 различных проектов, направленных на социально-экономическое развитие города, повышение энергоэффективности и снижение нагрузки на окружающую среду. За Амстердамом последовали другие города, например: Малага (Ис-

пания), Эвора (Португалия), Мадрид (Испания), Фрайбург (Германия) и др. [6].

В настоящее время в рейтинге «умных» городов Европы, согласно исследованию компании Bearing Point, лидируют: Вена (Австрия), Амстердам (Голландия) и Барселона (Испания). При этом Вена уже несколько лет возглавляет список лучших городов мира по качеству жизни. В состав проекта «умного» города в Вене входят такие направления, как: возобновляемые источники энергии, в том числе на базе переработки мусора, система освещения улиц с учетом интенсивности движения, общественный электротранспорт и станции подзарядки, открытый доступ к данным, услуги по страхованию и пр.

Примером международного сотрудничества является соглашение мэров (Covenant of Mayors), направленное на выполнение показателей устойчивого развития энергетики Евросоюза. В США известны проекты в городах Нью-Йорк, Сан-Франциско, Бостон, Сиэтл и др. В Азии можно выделить проекты в г. Йо-когама (Япония), Дубай и Масдар (ОЭА), Нью Сондо (Корея), а также в Индии, где запущена программа «100 «умных» городов», и Китае, где насчитывается порядка 200 пилотных проектов «умных» городов.

Все проекты «умного» города реализуются во взаимодействии широкого круга участников,

Составляющие «умного» города

Экономика (конкурентоспособность) Окружающая среда (природные ресурсы) Управление (партнерство)

• Инновационный дух • Предпринимательство • Торговые марки • Производительность • Гибкость рынка труда • Включенность в международные процессы • Способность к преобразованию • Привлекательность естественных условий • Защита окружающей среды • Устойчивое управление ресурсами • Соучастие в принятии решений • Общественные и социальные услуги • Прозрачное правительство • Политические стратегии и перспективные планы

Среда обитания (качество жизни) Коммуникации (транспорт и связь) Люди (человеческий капитал)

• Качество жилищных услуг • Сплоченность общества • Образовательные объекты • Условия здравоохранения • Безопасность личности • Культурные объекты • Туристическая привлекательность • Экологически чистые, инновационные и безопасные системы транспорта • Наличие !СТ инфраструктуры • Доступность на местном, национальном и международном уровнях • Уровень квалификации • Стремление к постоянному обучению • Социальное и этническое разнообразие • Гибкость • Творчество • Космополизм • Участие в общественной

включая: представителей власти всех уровней, бизнеса, энергокомпаний, производителей силового оборудования, компании телекоммуникационного сектора, научные организации и университеты, девелоперов и жителей города. Это подчеркивает заинтересованность разных сообществ в достижении общих целей, а также необходимость объединения их усилий для решения комплекса взаимосвязанных задач, включающих территориальное планирование, развитие модели управления городским хозяйством, проведение научных исследований, освоение новой техники и технологий, подготовку специалистов и т.д.

Непременной составляющей проектов «умного» города является сектор энергоснабжения, который интенсивно трансформируется за рубежом в первую очередь ввиду реализации масштабных государственных программ поддержки внедрения распределенной генерации на базе энергии ветра и солнца, а также интеллектуальных систем учета у потребителей. Ряд долгосрочных мегапроектов в Евросоюзе и США - «Green eMotion», «ECOGRID», «Pacific Northwest Smart Grid», «Houston's Smart Grid» и др. - носят характер исследовательских проектов и тестовых площадок, на которых уже отрабатываются новые подходы к организации энергоснабжения.

Направления интеллектуализации системы энергоснабжения города

В концепции «умного» города система энергоснабжения сохраняет важную инфраструктурную роль в городском хозяйстве и характеризуется новым уровнем развития, для которого используется термин Smart Grid. «Умная» система энергоснабжения города объединяет три основные системы: электро-, тепло- и газоснабжения. При этом объединенная система энергоснабжения (рис. 1) может быть представлена в виде интегральных энергетических узлов, включающих источники и потребителей разного вида энергии, и сложных энергетических связей, обеспечивающих передачу разного типа энергоносителей [7].

Такая комплексность представления обусловлена в первую очередь стремлением к оптими-

зации использования энергии в «умном» городе в целом. Во-вторых, необходимо учитывать взаимосвязанность режимов работы систем, которая проявляется, например, в величине располагаемой мощности электростанций с тепловым отбором, надежности источников энергии на природном газе, частичной взаимозаменяемости электроэнергии, тепла и газа при обогреве и т.д. В-третьих, места и трассы для размещения энергетической инфраструктуры на территории города ограничены, что требует комплексно подходить к проектированию и эксплуатации энергообъектов, включая их размещение в едином коридоре.

На уровне объектов «умного» города комплексный подход к энергоснабжению, например, больших зданий позволяет получить дополнительный эффект при учете конструктивных и технологических решений в строительстве, направленных на энергосбережение и энергоэффективность. При совместном рассмотрении электротранспортной инфраструктуры и системы энергоснабжения можно обеспечить оптимальное вписывание зарядной нагрузки в общий график нагрузки энергосистемы с обоюдной выгодой для потребителей и энергосистемы. Актуальность этой задачи возрастает с освоением технологии быстрого заряда и разряда.

Каждая система в составе объединенной системы энергоснабжения образует собой разветвленную иерархическую структуру, начиная от локальных систем энергоснабжения отдельных потребителей до магистральных сетей верхнего уровня. В первую очередь энергетическая инфраструктура получает наибольшее развитие на уровне распределения и потребления энергии благодаря ряду факторов: рост распределенной генерации и ее интеграция, включая накопители энергии, на низовом уровне в сеть общего пользования, глубокая автоматизация интерфейсных связей потребителей с энергосистемой, реализация технологии локальных энергосистем, когда распределенные источники генерации на стороне потребителя могут устойчиво работать и обеспечить качественное электроснабжение сбалансированной нагрузки потребителей при нарушениях в сети общего пользования, адаптация работы распределительной электрической сети к реверсивным потокам энергии и др. При

Источник: [7].

Рис. 1. Концептуальная схема системы энергоснабжения

этом в структуре энергосистемы граница сектора потребления размывается ввиду масштабного развития и интеграции в энергосистему источников энергии разной мощности у потребителей в жилом, промышленном и бизнес секторе и др. Локальные энергосистемы типа microgrid и multimicrogrid, способные как к синхронной работе в составе энергоситсемы, так и автономной работе, образуют фрактальные структуры в энергосистеме, повышающие ее устойчивость к возмущениям и облегчающие восстановление после аварий [8].

Объединяющую роль в системе управления энергетической инфраструктурой «умного» города выполняет информационно-коммуникационные технологии, которые обеспечивают обмен информацией и управляющими сигналами как внутри систем, так и между ними. При этом существенное увеличение объема информации требует использования новых принципов обработки информации и принятия решений в системах управления. Качественным изменением в автоматическом управлении сложной систе-

мой является переход на распределенное управление с возможностью максимальной обработки информации и принятия решений на местах по принципу мультиагентности. Новой задачей является организация управления локальными энергосистемами, которое обеспечивает их устойчивую работу в составе большой энергосистемы, а в случае необходимости осуществляет надежное выделение на изолированную работу с балансированием собственного потребления и источников энергии для обеспечения жизнедеятельности критически важных потребителей.

Распределенное управление «умной» энергосистемой строится по иерархическому принципу и включает в себя несколько уровней систем управления энергоснабжением (Energy Management System - EMS): систему для кластера жилой застройки города (Home EMS), деловой и социальной активности - крупных бизнес-центров, торгово-развлекательных зданий и гостиничного сектора (Building EMS), промышленных предприятий и технопарков (Factory EMS) и т.п. Общее управление разнотипными

Производство и потребление Балансирующие накопители (Toshiba, Hitachi, Meidensha NEC)

Накопители для потребителей (Sony E, Sharp)

I

Системы сбора

и передачи ''' (Hitachi, Toshiba)

SCADA

SCADA

(Toshiba)

>Щ

CESM (Toshiba, Accenture)

II8

)

HEMS для жилого комплекса (Tokyo Gas, NTF-F, NTT DoCoMo)

HEMS многоквартирного дома (Panasonic)

HEMS

домов свободной застройки (Toshiba, Mitsui Fudosan, JX-E) (Daikyo Consortium)

- ff

HEMS

- и -

HEMS многоквартирного ома (Toshiba)

CEMS

FEMS

FEMS (Meidensha, Sumitomo Elictric Industries)

Smart BEMS (Toshiba, Taisei Corporation)

BEMS для консолидации (Toshiba)

и

Центральный информационный узел

(Nissan Motor) \ j

Станции подзарядки (JX-E)

К

в

EV

'uví

i

Заряжаемые и разряжаемые электромобили (Nissan, Hitachi, ORIX, ORIX Auto)

BEMS ддд дддддд д дддддд (Toshiba, Marubeni, Mitsubishi Estate, Mitsui Fudosan)

ill»11-BEMS

Smart BEMS (Meidensha, NEC)

BEMS для коммерческих зданий (JGC Corporation)

Источник: http://www. city.yokohama.lg.jp/ondan/english/yscp/

Рис. 2. Схема управления «умной» энергосистемой в «Yokohama Smart City Project»

кластерами, в том числе инфраструктурой подзарядки электромобилей (EV), осуществляется в территориальном центре управления (Community EMS) с информационной поддержкой от SCADA в части сбора данных приборов учета и участия потребителей в управлении спросом. Подобная система управления энергосистемой «умного» города отрабатывается, например, в рамках крупного проекта «Yokohama Smart City Project» в Японии (рис. 2).

В целом отличительными чертами «умной» системы энергоснабжения являются: эффективное использование энергии, надежное функционирование и адаптивность к меняющимся условиям, которая включает возможность гибкого участия субъектов рынка, в том числе потребителей, в режимном и противоаварийном управлении в соответствии с их индивидуальными особенностями.

Среди основных требований к «умной» системе электроснабжения необходимо выделить следующие [9]:

- оптимальный выбор состава генерирую -щих источников, включая распределенную генерацию, в режиме все более приближающемуся к реальному времени;

- интеграция в энергосистему разнородных источников электроэнергии, включая возобновляемые и источники малой мощности, и накопителей энергии;

- автоматическая оценка рисков нарушений, обнаружение и устранение последствий нарушений в работе энергосистемы на всех уровнях;

- двусторонняя связь с потребителями по системам интеллектуального учета и управление электропотреблением;

- устойчивость к воздействию угроз безопасности - физической, информационной и ресурсной;

- автоматизированное проектирование энергосистемы, включая энергообъекты, и информационно-коммуникационной системы во взаимосвязи с инфраструктурой города;

- оптимальное использование ресурса оборудования и обслуживание производственных фондов.

Переход к «умным» системам электроснабжения в городах связан с постепенной трансформацией существующей инфраструктуры в ходе комплексных проектов по созданию новой городской среды на определенной территории, в том числе при реконструкции промышленных районов - джентрификации (англ. gentrification).

Общие рекомендации для московского мегаполиса

Применительно к Москве данные проекты могут представлять интерес в связи с интенсивным развитием: расширением территории (образование «Новой Москвы»), выводом промышленных предприятий из города и строительством крупных логистических, выставочных и бизнес центров, формированием высокотехнологичных кластеров и технопарков, требующих качественного нового уровня организации электроснабжения, реорганизацией публичного пространства и развитием транспортной инфраструктуры, развертыванием электронной системы обратной связи с жителями города и т.д.

Для Москвы характерны существенные особенности в организации энергоснабжения: высокая плотность населения и территориальной застройки, большая плотность электрической нагрузки и устойчивый рост электропотребления, высокая концентрация мощности на энергообъектах, высокая доля комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, низкая доля электропотребления в промышленности и высокая доля электропотребления бытового сектора и сферы услуг, а также значительная доля потребителей, недопускающих перерывов в электроснабжении [10].

Развитие энергосистемы Москвы сталкивается с необходимостью решения целого ряда задач - ограничения токов КЗ, компенсации реактивной мощности, присоединения новых потребителей, замены высоковольтных кабельных линий, переводом воздушных линий в городской черте в кабельное исполнение и др., а также вызовом со стороны нарастающего класса новых высокотехнологичных и ответственных потребителей по обеспечению такого качества электроэнергии и надежного энергоснабжения (ЦОДы, «чистые комнаты», банки, центры управления, аэропорты и др.), которые не свой-

ственны электрической сети общего пользования. Применение технологий Smart Grid может помочь в решении проблем развития энергосистемы как на уровне высоковольтной части, так и распределительного сектора [9, 10]:

- новые материалы для силового энергетического и электротехнического оборудования, а также конструктивные и компоновочные решения, позволят сократить занимаемую оборудованием полезную площадь, повысить номинальные параметры, а также ресурс и продолжительность межсервисного интервала;

- мощные преобразователи напряжения способны обеспечить управление перетоками активной мощности в сложнозамкнутой электрической сети и снизить уровень токов КЗ, а также осуществлять управление напряжением в узлах подключения, в том числе для обеспечения качества электроэнергии;

- накопители электрической и тепловой энергии позволят сгладить пиковое потребление в энергосистеме и обеспечить бесперебойное энергоснабжение конечных потребителей;

- источники распределенной генерации на базе реконструируемых котельных позволят увеличить надежность локальных систем энергоснабжения при максимально эффективном использовании энергоресурсов;

- средства автоматизация электрической сети и новое коммутационное оборудование позволят осуществлять быстрое секционирование и реконфигурацию сети, ускоряя восстановление электроснабжения после нарушений;

- системы векторных измерений на базе фа-зоров дают качественно новую информацию о переходных процессах в энергосистеме;

- цифровые системы учета у потребителей предоставляют широкие возможности для управления потреблением;

- технологии параллельных вычислений и распределенного управления позволяют оценивать риски нарушений в работе энергосистемы и вырабатывать адекватные ответные действия в реальном времени;

- развитые информационные системы диагностики и контроля состояния оборудования предоставляют возможность гибкого подхода к определению допустимой нагрузки и необходимости проведения технического обслуживания.

При этом задача внедрения новых технологий требует решения вопросов организационного взаимодействия, финансирования, нормативного обеспечения и т.п. Реализация проекта «умного» города требует широкого вовлечения энергокомпаний, производителей оборудования, жителей, крупных потребителей под эгидой властных структур города при единой системе управления проектом. Кроме того, в области информационной поддержки необходимо разработать и внедрить широкий круг образовательных и обучающих программ в области энергоэффективности и защиты окружающей среды, комплексного управления проектом «умного» города на протяжении всего жизненного цикла.

Выводы

1. Планирование «умного» города базируется на комплексном подходе к организации дружественной среды обитания и жизнедеятельности, включая экономические, экологические, управ-

ленческие, коммуникационные, социальные и личностные аспекты взаимодействия власти, бизнеса и общества.

2. Система энергоснабжения «умного» города представляет инфраструктурную основу функционирования городского хозяйства и обеспечивает эффективное использование энергии, обладая способностью к самодиагностике и самовосстановлению, адаптивностью к меняющимся условиям функционирования.

3. Применение устройств на базе силовой электроники, развитых систем измерения и диагностики, накопителей энергии, развитых средств вычислений и информационного обмена позволяет помочь в решении ряда проблем развития энергосистемы Москвы. Энергоснабжение новых территорий столицы и реконструируемых объектов города целесообразно осуществлять в рамках специального проекта «умного» города, включающего формирование «умной» системы энергоснабжения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сакс Дж. Цена цивилизации / под ред. Ю.В. Григорьевой, пер. с англ. А. Калинина. М.: из-во ИЭП, 2012. 352 с.

2. Бутырин П.А. Электротехника и общество: взаимосвязанное развитие // Изв. РАН. Энергетика. 2008. № 6. С. 49-70.

3. Глазычев В.Л. Город без границ. М.: Территория будущего, 2011. 400 с.

4. United Nations Millennium Declaration /adopted by General Assembly, 55-th Session. 2000. 9p.

5. Smart Cities - Ranking of European medium-sized cities / Final report of a research project. Centre of Regional Science, Vienna UT. 2007. 28 p.

6. R. Achaerandio, R. Bigliani, G. Gallott, F. Maldonado, J. Curto, Smart Cities Analysis in Spain / White paper. IDC. 2011. 42 p.

7. G. Andersson. Future Energy Networks -A Vision / CIGRE 43-rd Session, Opening panel. Paris. 2010.

8. Microgrids for disaster preparedness and recovery with electricity continuity plans and systems /IEC White paper. 2014. 94 p. "

9. Кучеров Ю.Н., Федоров Ю.Г. Анализ условий развития интеллектуальных энергосистем с учетом особенностей обеспечения надежности и стандартизации // Энергетическая политика. 2012. № 1. С. 27-41.

10. Шульгинов Н.Г., Кучеров Ю.Н., Чемоданов В.И., Утц Н.Н., Ярош Д.Н. Основные направления развития энергосистемы Московского региона // ЭЛЕКТРО. Электротехника. Электроэнергетика. Электротехническая промышленность. 2012. № 1. С. 2-10.

Поступила в редакцию 13.10.2014 г.

Yu. Kucherov, Yu. Fedorov2

CONCEPTUAL WAYS OF SMART CITY INFRASTRUCTURE DEVELOPMENT

The paper analyses contemporary trends and approaches to the city planning with the accent on energy infrastructure. The paper analyses the main directions and projects of smart cities building abroad. The paper presents the integrated approach to the energy procurement system's development, emphasizes its main intellectualization directions. The paper also presents general specifications of smart city energy, recommendations of Moscow energy system development with consideration of its particularities and promising energy technologies.

Key words: sustainable development, smart city, energy procurement, energy system, infrastructure, management, new technologies.

2 Yury N. Kucherov - Head of Technical regulation department JSC SO UPS, Doctor of Sc., e-mail: kucherov@so-ups.ru; Yury G. Fedorov - lead specialist at Technical regulation department JSC SO UPS, e-mail: fedorov-yg@so-ups.ru