CC BY
64
ISSN 0131-5226. Теоретический _ПАЭП. 2018.
и научно-практическии журнал. Вып. 96_'
https://finland.fi/business-innovation/finnish-bioeconomy-making-amazing-future/ (accessed 27.09.2018)
4.Erk A.F., Sudachenko V.N., Razmuk V.A., Kovaleva O.V. Rezul'taty ehnergeticheskogo obsledovaniya sel'hozpredpriyatij [Results of energy survey of agricultural enterprises]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2014; N 85: 100-105. (In Russian)
5.Brovtsin V.N., Erk A.F., Bychkova O.V. Sravnitel'nyj analiz energoehffektivnosti sel'skohozyajstvennyh predpriyatij molochnogo napravleniya [Comparative analysis of energy efficiency of dairy farms]. Mekhanizaciya i ehlektrifikaciya sel'skogo hozyajstva. 2014; N 5: 22-24. (In Russian)
6.Sudachenko V.N. Erk A.F. Timofeev E.V. Metody energosberezheniya i povysheniya energoehffektivnosti predpriyatij
zhivotnovodcheskogo napravleniya v usloviyah Severo-Zapada RF [Methods of energy saving
and energy efficiency improvement for livestock farms in the North-West of Russia]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2017; N 91: 5-14. (In Russian)
7.Erk A.F., Sudachenko V.N., Butrimova E.I. Effektivnost' ispol'zovaniya ehnergoresursov v sel'hozpredpriyatii molochnogo napravleniya [Efficiency of energy use in dairy cattle husbandry]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016; N 89: 12-19 (In Russian)
8.Nosevich M.A. Potentsial vozdelyvaniya rapsa v Leningradskoi oblasti [Potential of seed rape cultivation in Leningrad Region. Committee for Agroindustry and Fishery Complex of Leningrad Region. 2018. Available at: http://agroprom.lenobl.ru/inf/materialy-dokl ady-prezentacii- sove shanij (accessed 27.09.2018). (In Russian)
УДК 631 152 DOI 10.24411/0131-5226-2018-10054
ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ «УМНЫХ СЕТЕЙ» ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ИНТЕНСИВНЫХ МАШИННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ
ПРЕДПРИЯТИЯХ
A.Ф. Эрк, канд. техн. наук; Е.В. Тимофеев, канд. техн. наук;
B.Н. Судаченко, канд. техн. наук; В.А. Размук
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ
В настоящее время в системы электроснабжения внедряется технология Smart Grid. Технология Smart Grid - это система, состоящая из «умных» счетчиков, информационно-вычислительного комплекса и блока управления. Она обеспечивает потребителям повышение надежности электроснабжения и высокое качество электроэнергии. Целью исследования было определение ориентировочной структуры технологии и критериев оценки целесообразности внедрения различных генерирующих источников на основании данных о потреблении электроэнергии на сельскохозяйственных предприятиях. Потребителями электроэнергии в сельскохозяйственных
Технологии и технические средства механизированного производства продукции _растениеводства_
предприятиях являются административные здания, мастерские и гаражи, объекты животноводства, растениеводства и кормопроизводства, а также жилой сектор, находящийся на балансе сельскохозяйственного предприятия. К местным источникам генерации электроэнергии условно можно отнести традиционные источники (дизельные генераторные станции и газотурбинные установки), и возобновляемые источники энергии (солнечные электростанции, ветроэнергетические установки, мини гидроэлектростанции, различные типы когенерационных установок - биогазовые, на базе двигателя Стерлинга и т.п.). Сопоставляя требуемые мощности во времени с генерируемыми мощностями от различных источников, можно обосновать алгоритм работы системы электрообеспечения. Этот алгоритм будет основой для программирования информационно-вычислительного комплекса технологии Smart Grid. При разработке технологии Smart Grid важным моментом является выбор местного источника производства электроэнергии. Предложено использовать единый коэффициент «энергоэкологичности», оценивающий как энергетические, так и экологические факторы.
Ключевые слова: технология Smart Grid, электроснабжение, потребитель электроэнергии, генерирующий источник, мощность, критерий оценки, интенсивная машинная технология, экологический фактор.
Для цитирования: Эрк А.Ф., Судаченко В Н., Тимофеев Е.В., Размук В.А. Обоснование технологии «умных сетей» для электроснабжения интенсивных машинных технологий на сельскохозяйственных предприятиях // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 3 (96). С. 20-27.
USE OF SMART GRID TECHNOLOGY FOR ELECTRICITY SUPPLY IN FARMING INTENSIVE MACHINE-BASED TECHNOLOGIES
A.F. Erk, Cand. Sc. (Engineering); E.V. Timofeev, Cand. Sc. (Engineering);
V.N. Sudachenko, Cand. Sc. (Engineering); V.A. Razmuk
Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
Currently, Smart Grid technology is being actively implemented in the power supply systems. Smart Grid is a system consisting of smart meters, information and computation complex, and control system. It provides consumers with improved reliable power supply and high quality electricity. The purpose of the study was to determine the approximate architecture of the technology and the criteria for assessing the feasibility of the introduction of various energy generating sources on the basis of electricity consumption data from the agricultural enterprises. Electricity consumers in agricultural enterprises are administrative buildings, workshops and garages, livestock, crop and feed production facilities, as well as the residential sector, which is on the books of the agricultural enterprise. The local sources of electricity generation can be traditional ones (diesel generator stations and gas turbine plants) and renewable energy sources (solar and wind power plants, mini hydro-electric stations, various types of cogeneration plants - biogas, Stirling engine, etc.). The algorithm of the electricity supply system performance may be justified by comparing the required power in time with the generated power from different sources. This algorithm will be the basis for programming the information and computation complex of the Smart Grid technology. In this context, an important point is the choice of a local source of electricity generation. A single factor of "energy and environmental compatibility" is suggested.
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2018. Вып. 96_
Key words: Smart Grid technology, power supply, electricity consumer, generating source, capacity, evaluation criterion, intensive machine-based technology, environmental factor.
For citation: Erk A.F., Sudachenko V.N., Timofeev E.V., Razmuk V.A. Use of Smart Grid technology for electricity supply in farming intensive machine-based technologies. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. 3(96): 20-27. (In Russian)
Введение
В настоящее время в системы электроснабжения внедряется технология Smart Grid, которая позволяет оптимизировать энергозатраты и
перераспределять электроэнергию.
автоматизированная система, которая может самостоятельно регулировать подачу электроэнергии в зависимости от изменения режима потребления. Технология Smart Grid состоит из «умных» счетчиков, информационно-вычислительного комплекса, системы управления. Она обеспечивает потребителям энергоресурсов повышение надежности электроснабжения и качество электроэнергии, возможность управления энергопотреблением и снижение уровня платежей за энергоресурсы. Разработке и реализации технологии Smart Grid посвящены работы многих зарубежных ученых, в которых рассмотрены вопросы проектирования [1] и моделирования [2], управления нагрузками [3] и развития «умных» сетей [4]. Внедрение технологии Smart Grid на сельских территориях находится пока на уровне проектов, а внедрение в сельскохозяйственных предприятиях вызывает вопрос о целесообразности [5,6].
Целью данной статьи является, на основании данных о потреблении электроэнергии сельскохозяйственных
предприятий, определить ориентировочную структуру технологии и критерии оценки целесообразности внедрения различных генерирующих источников.
Материалы и методы
на трансфор-10/0,4кВ и
Из анализа результатов энергетических обследований (энергоаудит) в хозяйствах Ленинградской области известно[7,8]: -установленная мощность электроприемников в хозяйствах составляет от 0,8 до 2,8 тыс.кВт, средние значения - 1,5 тыс. кВт;
-фактическая используемая электроприемниками мощность - 0,4-0,9 тыс.кВт;
- количество потребленной электроэнергии за год находится в диапазоне 2850-5700 тыс. кВт*час;
- распределительная сеть в основном с классом напряжения ЮкВ;
-узлы учета установлены маторных подстанциях количество их находится в диапазоне 8-22 единиц на хозяйство.
Потребителями электроэнергии в сельскохозяйственных предприятиях
являются административные здания,
животноводства, растениеводства и кормопроизводства, жилой сектор
сельскохозяйственного предприятия) [9].
Структура потребления электроэнергии для предприятий молочного животноводства представлена на рис.1. Электроэнергия в основном используется на освещение, для обогрева помещений, на горячее водоснабжение и на электропривод [10].
Рис. 1. Структура потребления электроэнергии селъскохозягютеенного предприятия
Эта информация является основой для разработки системы Smart Grid.
Результаты и обсуждение
Вариант архитектуры системы Smart Grid представлен на рис.2.
Централизованное электроснабжение осуществляется от сетей с напряжением 110кВ и выше от единой
электрообеспечения. Граница раздела находится на трансформаторной подстанции 110/10кВ. Распределительные сети ЮкВ связывают в единую систему централизованную сеть и местные источники генерации электроэнергии. К местным источникам генерации электроэнергии условно можно отнести традиционные: дизельные генераторные станции и газотурбинные установки, а также возобновляемые источники энергии (ВИЭ): солнечные электростанции, ветроэнергетические установки, мини ГЭС (гидроэлектростанции), различные типы когенерационных установок (биогазовые, на базе двигателе «Стерлинга» и т.п.). Местные источник генерации электроэнергии связаны с общей распределительной сетью трансформаторными подстанциями 0,4/ЮкВ.
системы
110кВ II выше
ЮкВ
10кВ
Потребители электрисеской энерпш II их мощность
0,4кВ
0,4кВ
Местные генерирующие электроустановки II их производительность
Дизель
1
генератор
10-2000 КВт
Газотурбинные
Административные
здания пп установки
50-100 КВт LiU 20-2000 КВт
Мастерские
Гаражи
50-100 КВт
-Г7ГУ
:о>
Солнечные эл. станции 0,1-2000 КВт
Объекты животноводства 200-400 КВт
3>
-о>
Ветроустановки 0,1-1500 КВт
Объекты
растениеводства
300-700 КВт
Минн ГЭС 5-100 КВт
Объекты
кормопроизводства
100-200 КВт
-ССь
Ко генерационные установки Биогаз 10-1000 КВт
Рис. 2. Архитектура cemeîi Smart Grid 23
ISSN 0131-5226. Теоретический _ПАЭП. 2018.
и научно-практическии журнал. Вып. 96_'
Традиционные источники вырабатывают, как правило, электроэнергию с напряжением 0,4кВ. ВИЭ в составе оборудования должны иметь инвертор и большой запас аккумулирующих мощностей, т.к. поступающая энергия (солнечная, ветровая и энергия воды) не постоянны во времени, электроэнергия может быть постоянного и переменного тока напряжением 12-100В [11].
На рис. 2 представлены потребители электроэнергии с указанием необходимой мощности. Наибольший потребитель животноводческий комплекс (до 700 кВт). Надо учитывать, что архитектура сетей ориентировочная. Фактически бывает, что на одном животноводческом комплексе 3-4 ТП 10/0,4кВ или в хозяйстве объекты животноводства и растениеводства располагаются в двух и более населенных пунктах. Так же мощности местных генерирующих источников. В связи с этим, как показали энергетические обследования, количество трансформаторных подстанций 10/0,4кВ находится в диапазоне 8-22 единиц на хозяйство. Возможная мощность местных источников генерации электроэнергии представлена на рисунке 2. Теоретически дизельные электростанции, газотурбинные установки и солнечные электростанции могут полностью удовлетворить потребность хозяйства в электроэнергии. Таким образом, сопоставляя требуемые мощности во времени с генерируемыми от различных источников, можно обосновать алгоритм работы системы электрообеспечения.
Анализ данных, представленных на рис. 2, дает возможность моделировать технологию Smart Grid. Разработка модели является предметом дальнейших
исследований.
При разработке технологии Smart Grid важным моментом является выбор местного источника генерации электроэнергии.
Факторы, влияющие на выбор местного источника генерации электроэнергии (рис.3), следующие[12]:
- экономические (энергетические) - это стоимость строительства электростанции руб/кВт и стоимость генерации электроэнергии, руб/кВт*час;
- экологические - выброс загрязняющих веществ при генерации электроэнергии кг/кВт*час и величина вредного влияния этих веществ на окружающую среду;
площадь занимаемая генерирующей установкой, м2;
- шумовое загрязнение окружающей среды.
^ээ — ПСс; Сг> Квв; )
где Кээ — эколого
- энергетический критерий оценки.
строительства, С с, руб
генерации,
Сг, руб
Рис. 3. Факторы, влияющие на выбор местного источника генерации электроэнергии
Ранее учитывали основной
экономический фактор для выбора источника генерации электроэнергии.
экологическими критериями, такими как выбросы загрязняющих веществ. Во многих случая площадь для строительства генерирующей установки имеет решающую роль. Например, площадь солнечной электростанции может быть настолько велика, что места для ее установки нет. Шумовым загрязнением окружающей среды от ветрогенератора и от дизельной
электростанции так же пренебрегать не стоит.
Предметом дальнейших исследований может быть определение численных значений параметров изображенных на рис.3, разработка основного критерия энергоэкологичности и построение общей модели обоснования технологии Smart Grid.
Выводы
1. Представленная архитектура сетей сельскохозяйственного предприятия дает
возможность моделировать технологию Smart Grid .
2. При разработке технологии Smart Grid и выборе местного источника генерации электроэнергии целесообразно учитывать
экологичности», оценивающий как энергетические, так и экологические факторы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Andrén, Filip Próstl , Strasser, Thomas I. , Kastner, Wolfgang. Engineering Smart Grids: Applying Model-Driven Development from Use Case Design to Deployment// ENERGIES. 2017. - Tom 10. - Вып. 3. - Номер статьи: 374. - DOI: 10.3390/enl 0030374 2. Chhaya, Lipi K. ; Sharma, Paawan ; Kumar, Adesh ; Bhagwatikar, Govind. Cross Layer Optimization and Simulation of Smart Grid Home Area Network // Modelling and Simulation in Engineering. 2018,- 14 С. Номер статьи: 3561739. DOI: 10.1155/2018/3561739 3 Amini, M.H.; Nabi, B.; Haghifam, M R. Load Management Using Multi-Agent Systems in Smart Distribution Network. // Proc. 2013 IEEE Power and Energy Society General Meeting, 2013.-C. 1-5.
4. Bigerna, Simona; Bollino, Carlo Andrea; Micheli, Silvia Socio-economic acceptability for smart grid development - a comprehensive review // Journal of Cleaner Production. 2016. -Tom 131. -C. 399-409
5. Prinsloo, G.; Dobson, R.; Mammoli, A. Synthesis of an intelligent rural village microgrid control strategy based on smartgrid multi-agent modelling and transactive energy management principles //Energy. - 2018. - Tom 147. - C. 263-278. DOI: 10.1016/j. energy.2018.01.056
6. Farooq, H.; Jung, L. T. Choices available for implementing smart grid communication
network // Proc. IEEE Int. Conf. on Comp. and Inf. Sei. (ICCOINS). - 2014. - C. 1-5.
РазмукВ. А.,Ковалева O.B. Результаты
сельхозпредприятий // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.2014. № 85.С. 100-105.
8. Бровцин В.Н., Эрк А.Ф, Ковалева О.В. Анализ энергоэффективности предприятий молочного направления // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2014. №85. С.84-89
9. Судаченко В.Н. Эрк А.Ф. Тимофеев Е.В.Методы энергосбережения и повышения
животноводческого направления в условиях Северо-Запада РФ // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2017. №91. С.5-14.
10.Судаченко В.Н., Эрк А.Ф., Тимофеев Е.В., Выбор варианта энергоснабжения объектов сельхозпроизводства по экономическим критериям // Технологии и технические средства механизированного производства
животноводства. 2017. № 92. С. 43-48.
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал _ПАЭП. 2018. Вып. 96_'
11 .Судаченко В.Н., Эрк А.Ф., Тимофеев Е.В., Методика обоснования мощности и выбора оборудования источников аварийного
сельхозпроизводства // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2017. № 92. С. 57-67.
12.Тимофеев Е.В., Эрк А.Ф., Судаченко В.Н.,
сельскохозяйственных предприятий // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 1 (94). С. 63-71.
REFERENCES
1.Andrén, Filip Próstl , Strasser, Thomas I. , Kastner, Wolfgang. Engineering Smart Grids: Applying Model-Driven Development from Use Case Design to Deployment. Energies. 2017, 10, 374; D01:10.3390/en10030374
2.Chhaya, Lipi K. ; Sharma, Paawan ; Kumar, Adesh ; Bhagwatikar, Govind. Cross Layer Optimization and Simulation of Smart Grid Home Area Network. Modelling and Simulation in Engineering. 2018: 14 (Art. ID 3561739). DOI: https://doi.org/10.1155/2018/3561739
3.Amini, M.H.; Nabi, B.; Haghifam, M R. Load Management Using Multi-Agent Systems in Smart Distribution Network. Proc. 2013 IEEE Power and Energy Society General Meeting, 2013: 1-5.
4.Bigerna, Simona; Bollino, Carlo Andrea; Micheli, Silvia. Socio-economic acceptability for smart grid development - a comprehensive review. Journal of Cleaner Production. 2016. Vol. 131: 399-409.
5.Prinsloo, G.; Dob son, R.; Mammoli, A. Synthesis of an intelligent rural village microgrid control strategy based on smartgrid multi-agent modelling and transactive energy management principles. Energy. 2018, 147: 263-278. DOI: 10.1016/j.energy.2018.01.056
6.Farooq, H.; Jung, L. T. Choices available for implementing smart grid communication network. Proc. IEEE Int. Conf. on Comp. and Inf. Sci. (ICCOINS). 2014: 1-5.
7.Erk A.F., Sudachenko V.N., Razmuk V.A., Kovaleva O.V. Rezul'taty ehnergeticheskogo obsledovaniya sel'hozpredpriyatij [Results of
energy survey of agricultural enterprises]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2014; N 85: 100-105. (In Russian)
8.Brovtsin V.N., Erk A.F., Kovaleva O.V. Analiz ehnergoehffektivnosti predpriyatij molochnogo napravleniya [Analysis of energy efficiency of dairy enterprises]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2014; N 85: 84-89. (In Russian)
9.Sudachenko V.N. Erk A.F. Timofeev E.V. Metody energosberezheniya i povysheniya energoeffektivnosti predpriyatii
zhivotnovodcheskogo napravleniya v usloviyakh Severo-Zapada RF [Methods of energy saving and energy efficiency improvement for livestock farms in the NorthWest of Russia]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2017. N 91: 5-14. (In Russian) 10.Sudachenko V.N., Erk A.F., Timofeev E.V., Vybor varianta ehnergosnabzheniya ob"ektov sel'hozproizvodstva po ehkonomicheskim kriteriyam [Selection of power supply options for agricultural production facilities by economic criteria]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2017; N 92: 43-48.
11.Sudachenko V.N., Erk A.F., Timofeev E.V., Metodika obosnovaniya moshchnosti i vybora oborudovaniya istochnikov avarijnogo ehnergosnabzheniya ob"ektov
sel'hozproizvodstva [Method to substantiate the capacity and equipment options for emergency power supply sources for agricultural production facilities]. Tekhnologii i
tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2017; N 92: 57-67
12.Timofeev E.V., Erk A.F., Sudachenko V.N., Razmuk V.A. Optimizatsiya skhem energosnabzheniya sovremennykh
sel'skokhozyai stvennykh predpriyatii
[Optimization of power supply schemes of modern agricultural enterprises]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. N 1 (94): 63-71. (In Russian)
УДК 631 152 DOI 10.24411/0131-5226-2018-10055
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГЕЛИОКОЛЛЕКТОРА
E.B. Тимофеев, канд. техн. наук; В.Н. Судаченко, канд. техн. наук;
А.Ф. Эрк, канд. техн. наук; В.А. Размук
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ
Использование энергии солнца для нагрева воды в интенсивных машинных технологиях производства животноводческой продукции и в быту сельских жителей весьма перспективно. Для этих целей целесообразно применять плоские коллекторы солнечной энергии. Суммарный годовой приход солнечной радиации для Северо-Западного региона РФ колеблется от 700 до 1300 кВтч/м2. Наибольшая часовая радиация наблюдается в мае, июне и июле и в полдень достигает 0,45-0,55 кВтч/м2. В августе, сентябре, и октябре радиация снижается в два раза. Солнечные коллекторы могут быть полезны лишь при сезонном их использовании. Поэтому дорогостоящие водонагревательные установки с солнечными коллекторами не получили широкого распространения на территории Северо-Западного региона РФ. В перспективе преимущество получат установки простой конструкции с низкой стоимостью для локальных потребителей. Целью исследований было определение возможностей нагрева воды, пригодной для использования в сельхозпроизводстве и быту сельского населения, с использованием простого гелиоколлектора в реальных условиях летнего периода года в Ленинградской области. Исследования проведены в одноконтурной термосифонной системе солнечного горячего водоснабжения, состоящей из разработанного в институте простого солнечного коллектора и бака аккумулятора. Температура нагрева воды на выходе из коллектора зависит от величины солнечной радиации и достигает 70-80°С, бак с водой в течение дня прогревается до 50-65°С. Водонагревательную установку с разработанным в институте солнечным коллектором, обеспечивающим указанные параметры нагрева воды, целесообразно использовать в интенсивных машинных технологиях производства животноводческой продукции и в быту сельских жителей.
