CC BY
28Хузмиев И. К?
ПЕРЕФОРМАТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ РОССИИ
Ключевые слова: надежность и качество энергоснабжения, оптимизация производства и потребления энергоресурсов, «Новая электроэнергетика», интеллектуальная энергосистема, энергетический хабб, динамическое ценообразование, Умная сеть (Smart Grid), устойчивое развитие.
В настоящее время электроэнергетика развитых стран переживает смену технологической парадигмы. Рост тарифов на электроэнергию вследствие исчерпания потенциала роста централизованных энергосистем и отсутствия реальной конкуренции на розничном рынке, неспособность существующих централизованных систем удовлетворить возрастающий спрос на энергию приводят к уходу потребителей от централизованного энергоснабжения к собственной генерации и развитию распределенной энергетики. Одновременно с этим идет процесс формирования локальных микросетей, которые успешно конкурируют с централизованной энергетикой за счет приближения производства электроэнергии к её потреблению, что значительно сокращает затраты на транспорт энергии и, следовательно, её стоимость. Необходимо учитывать, что по прогнозам к 2040 году мировое потребление энергии возрастет на треть за счет роста населения до 9 млрд. человек, роста экономики в 1,5 раза, урбанизации и роста количества автомобилей в мире на 1,3 млрд. штук. А если учесть, что уже сегодня 40% эмиссии тепличных газов формирует энергетика, то интеллектуальная «новая электроэнергетика» на основе активно-адаптивных «умных» решений с распределённой генерацией и широким использованием возобновляемых источников энергии становится одним из основных способов обеспечения устойчивого развития. Устойчивое развитие - это удовлетворение потребностей нынешних и будущих поколений людей нормированным количеством жизнеобеспечивающих ресурсов для всех категорий потребителей достаточных для поддержания здорового образа жизни и работоспособности при снижении рисков деградации окружающей среды, как основы поддержания экологической, социально-экономической и политической стабильности в мировом сообществе [6].
Существующая вертикально интегрированная энергетика, как комплексная мультиинфраструктурная система экономики, должна изменяться, отвечая вызовам нового технологического уклада. При этом процесс изменений должен одновременно включить преобразования:
- архитектуры сети на цифровой технологической базе,
- источников и потребителей,
- потребительских сервисов, главным из которых является розничный рынок - биржа, совмещенная с биллин-говым расчетным центром. То есть существующая российская энергосистема должна преобразоваться в активно-адаптивную интеллектуальную энергосистему за счет переформатирования вертикально интегрированной электроэнергетики России в активно-адаптивную интеллектуальную с децентрализованными источниками энергии и сетевой архитектурой (Умная энергетика). Практически это план ГОЭРЛО - 2.
Отметим, что существующая электроэнергетика - это вертикально интегрированная система, соответствующая основным концепциям развития экономики в XX веке, в которой также используются различные цифровые приборы и устройства. Однако она перестала соответствовать вызовам технологий нового столетия и нуждается в коренной модернизации путем переформатирования, как новая интеллектуальная активно-адаптивная энергосистема, которую иногда называют «умная сеть (Smart Grid)» [2].
Активно-адаптивная энергосистема - интеллектуальная энергетическая система (ИЭС) - Умная сеть (Smart Grid) - это сложная энергообеспечивающая народное хозяйство отрасль, построенная на базе сетевых технологий с вертикальными и горизонтальными связями между элементами системы.
«Новая электроэнергетика» позволяет оптимизировать производство и потребление энергоресурсов, повысить надежность и качество энергоснабжения, расширить использование экологически чистых возобновляемых источников энергии. Одним из свойств ИЭС является применение самовосстанавливающихся технологий, которые проводят диагностику и позволяют изолировать поврежденные участки и узлы системы и, если при этом имеется техническая возможность, автоматически восстанавливают работоспособность аварийного элемента ИЭС, изменяя маршрут передачи электроэнергии, информируя при этом ремонтный персонал.
1 Хузмиев Измаил Каурбекович - д.т.н., профессор, член-корреспондент Российской академии электротехнических наук, действительный член Международной академии педагогических наук, почетный доктор Грузинского государственного аграрного университета, почетный доктор университета св. Андрея Первозванного Патриархии Грузии, заслуженный деятель науки и техники РСО-А, почетный энергетик России, почетный регулятор естественных монополий России, почетный работник науки и техники и почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации, заслуженный работник РАО «ЕЭС России», член Международного союза экономистов, эксперт Комитета по энергетике Государственной Думы РФ, почетный гражданин с. Кобан РСОА, советник генерального директора МРСК «Северный Кавказ», Владикавказ. E-mail: [email protected]
При этом умная сеть может быть основана на [3]:
• массовом использовании возобновляемых источников энергии;
• наличии у большинства потребителей индивидуальных децентрализованных источников электроэнергии;
• применении сетевых активно-адаптивных информационных технологий для управления процессами потребления, распределения, генерации, аккумуляции, ценообразования, мониторинга и принятия решения в интеллектуальной энергосистеме;
• наличии в сети и у самих потребителей установок для аккумулирующих устройств различной природы;
• массовом использовании электротранспорта с развитой инфраструктурой обеспечения мобильного электрифицированного подвижного состава необходимыми энергоносителями от сети с возможностью их рекуперации;
• образовании.
Известно, что 23 ВЭЛК, который состоялся 9-13 октября 2016 года в Стамбуле и где выступил Президент РФ Путин В.В., прошел под девизом «Охватывая новые горизонты». Там обсуждались вопросы внедрения инновационных решений в энергетику. Была сформулирована энергетическая трилемма [5], как сбалансированная модель устойчивого развития мировой энергетики на основе экологически чистых энергоносителей1. Практически это ресурсный подход концепции устойчивого развития, где энергия рассматривается как основной ресурс, с помощью которого посредством разработанных обществом-социумом компетенций (технологий) происходит передел природных-материальных ресурсов в необходимые жизненно обеспечивающие товары и услуги. Трилемма состоит из следующих блоков:
1. Энергетическая безопасность. Это осуществление бесперебойной поставки энергоносителей потребителям из национальных и зарубежных источников, надёжная инфраструктура и способность поставщиков энергии удовлетворять текущий и будущий спрос.
2. Энергетическое равенство. Это наличие и доступность энергии для всех потребителей.
3. Экологическая устойчивость, которая определяет экологическую эффективность поставки и потребления энергии, а также применение возобновляемых и безуглеродных источников для снижения эмиссии тепличных газов в атмосферу.
На заседании круглого стола «Энергетическая интеграция - внутренние резервы для экономического развития» [4] на ПМЭФ-16 руководитель ПАО «Россети» Олег Бударгин отметил, что процесс опережающего развития энергетической инфраструктуры является основным фактором для успешного экономического развития. Россия - большая страна, поэтому подходы к инновациям в энергетической инфраструктуре принципиально иные, чем в Европе. Нужно перейти от энергетики производителя к энергетике потребителя и начать с локальной интеграции и модернизации, прежде чем говорить о региональной и тем более глобальной.
Учитывая вышесказанное, ВНЦ РАН, вузы РСОА, ОАО «Донские технологии» Северо-Осетинский филиал МРСК Северный Кавказ предложили совместно с технологической платформой ИЭС РФ создать ИЭС на базе инновационной зоны «Тагаурия» в с. Кобан на основе имеющихся у специалистов республики разработок. Отметим, что при разработке предложения по созданию ИЭС в Осетии было необходимо:
• Ясно сформулировать цели и задачи в сфере производства и потребления энергии в рамках активно-адаптивных интеллектуальных энергетических систем, с учетом вызовов XXI века и смены технологического уклада жизнеобеспечения в условиях экологического и ресурсного кризиса в мире.
• Обеспечить свободный доступ к энергоресурсам всех потребителей, вне зависимости от социального статуса и отношения к собственности.
• Уйти от общего субсидирования потребителей, которое в перспективе наносит вред и снижает эффективность энергетики, и перейти к индивидуальной поддержке конкретных потребителей, которые имеют объективные ограничения по доступу к энергоресурсам.
• Способствовать повышению эффективности потребления энергии и ее сбережению за счет управления спросом и сбалансированной тарифной политики.
• Сократить эмиссию тепличных газов в атмосферу Земли за счет существенного сокращения углеродной энергетики путем массового применения экологически чистых возобновляемых источников.
Если рассмотреть систему умных сетей, то ее можно представить как совокупность автономных ячеек, объединенных общей электрической сетью. Ячейки системы - это активно-адаптивные микросети на базе группы потребителей-источников энергии, связанные между собой электрическими сетями переменного и постоянного тока. По сути, в каждом узле сети может происходить одновременно или выборочно: во-первых, генерация- производство, во-вторых, использование - потребление, в-третьих, обмен - транспорт, в-четвертых, хранение - аккумуляция энергоресурсов. Сетевую архитектуру можно рассматривать как двухмерную структуру с многочисленными связями узлов между собой, состоящую из технологических установок, устройств и сооружений с известными параметрами (hard) и заданными граничными условиями. Функционирование энергосистемы при этом должно осуществляться с минимальным расходом ресурсов, с получением заданных показателей не ниже некоторых пороговых величин посредством системы мониторинга и управления с помощью современных компетенций на базе информационных технологий (soft). Ясно, что мониторинг и принятие решения в ИЭС должно осуществляться «умным» активно-адаптивным центром управления. В основе такого управления лежит концепция минимизации транзакционных издержек. Для решения всех проблем реализации целевых функций необходимо разработать ее математическую модель, разработать и исследовать алгоритмы решений и разработать программные продукты.
1 www.worldenergy.org
Одной из основных задач, возникающих в сети, является поставка электрической энергии потребителям по минимальной цене с учетом затрат на транспорт. Так, в активно-адаптивной интеллектуальной сети (умная сеть) автоматизированная система по требованию потребителя ведет поиск источников заданного количества электроэнергии по минимальной цене во всех ее узлах и уровнях и определяет минимальную плату за транспорт от источников к потребителю по участкам сети, используя плату за передачу одной единицы ресурса на единицу расстояния передачи. Помимо спотовых биржевых цен могут использоваться прямые договора поставки между отдельными потребителями и поставщиками по договорным ценам. Плата за транспорт на каждом уровне сети может определяться различными способами от договорного до регулируемого независимым антимонопольным органом. Наиболее эффективным способом решения сформулированных задач развития системы является, по нашему мнению, представление сетевой системы в виде пространства Канторовича с решением задач ценообразования с помощью методов линейного программирования [7]. Необходимым условием постановки задачи линейного программирования являются ограничения на наличие ресурсов, величину спроса, производственные параметры поставщиков и потребителей. Сущность линейного программирования в нашем случае состоит в нахождении точек наименьшего значения целевой функции F= f(x)^min -стоимости потребляемого ресурса при определенном наборе ограничений, налагаемых на аргументы и образующих систему ограничений.
Отметим, что в комплексе всю систему можно рассматривать как энергетический хабб. Энергетический хабб -энергетическая инфраструктура ИЭС на основе распределительной энергетики. Хабб при наличии электрической связи с энергосистемой должен быть субъектом оптового рынка энергии, осуществляя функции розничного рынка, то есть в данном случае происходит совмещение опта с розницей на биржевой площадке, минуя всех посредников. Алгоритм работы микро-биржи хабба закладывается в АСУ Smart Grid, которая связана с АСУ НП СР и сетевыми организациями региона, а также поставщиками топлива. Цены на энергию могут быть договорными или биржевыми, формируемыми в результате биржевого ценообразования в реальном масштабе времени.
Динамическое ценообразование позволяет доводить до потребителей стоимость покупки электрической энергии, которая может быть ими реализована при снижении от договорного количества в случае договорного энергоснабжения, а также от собственных источников энергии и аккумуляторов. Это позволит регулировать оптимальный график потребления в хаббе, в том числе и в отношении продажи энергии на внешнем оптовом рынке электрической энергии. Основой работы хабба является информационно-операционный центр - центральная информационная система ИЭС (далее ЦИС) - платформа для организации розничного рынка всех продавцов и покупателей энергоресурсов. Потребителями услуг ЦИС являются все элементы ИЭС и диспетчерские организации. Функции ЦИС - мониторинг и контроль параметров и переменных всех систем и элементов ИЭС, регулирование и управление всеми процессами в ИЭС, в том числе организация функционирования рынка электроэнергии, начиная с генерации и заканчивая потребителями. Необходимо отметить, что на ЦИС также возлагаются функции биллинга и учёт долгосрочных и среднесрочных договоров между продавцами и покупателями электрической энергии на розничном рынке.
При этом одной из главных задач, которые решает ЦИС, является мониторинг и диагностика всех технических средств и программных продуктов сети с целью: во- первых, контроля переменных, параметров и слежение за состоянием и их соответствия техническим требованиям в заданном паспортном диапазоне изменений в процессе эксплуатации в реальном масштабе времени; во-вторых, анализа результатов мониторинга и диагностика для определения работоспособности и остаточного ресурса; в-третьих, принятия решения по ремонту или замене дефектных элементов сети в автоматическом режиме или лицами, принимающими решение.
Для этого в ЦИС имеется несколько контуров информационного обеспечения функционирования ИЭС:
1. Технологический контур, осуществляющий мониторинг, контроль и самодиагностику всех параметров и переменных систем и элементов ИЭС, а также регулирование и управление всеми процессами. Информационная система этого контура должна быть защищена от несанкционированного доступа и хакерских атак.
2. Рыночный контур - микробиржа, к которой может иметь свободный доступ любой субъект торговой системы.
3. Потребительский контур, осуществляющий информационное обслуживание отдельных потребителей и поставщиков энергии (узлы системы), в том числе имеющих свойство активно-адаптивных интеллектуальных (умных) узлов ИЭС. Доступ к отдельным узлам контура возможен только для их владельцев или уполномоченных лиц.
На ЦИС можно возложить также работу на рынке тепловой энергии, природного газа, воды и коммунальных услуг, используя ее как единую информационную систему мониторинга, контроля, управления и принятия решения всего ЖКХ региона. В этой связи на базе МРСК «Северный Кавказ» можно реализовать проект активно-адаптивной интеллектуальной электроэнергетической системы - ИЭС. Для этого необходимо разработать предложения по реализации концепции ИЭС во всех регионах СКФО и дорожную карту до 2030 года с финансированием за счет включения в тарифы на электроэнергию от 1 до 5 копеек по согласованию с администрацией регионов округа. Работа по созданию Интеллектуальной энергетической энергосистемы РСОА «Интеллектуальная энергосистема в инновационной зоне «Тагаурия» с.Кобан»уже начата в РСОА в соответствии с решениями рабочей группы под председательством первого заместителя Министра энергетики РФ А.Л. Текслера и проектного комитета при рабочей группе Минэнерго России по внедрению интеллектуальных энергетических систем.
При этом можно получить результат, который запланирован ДК EnergyNet на 2030 год уже в 2025 году, - «комплексный пилотный проект Smart City 3.0 на масштабе малого города». Для успешной реализации пилотного проекта ИЭС на Северном Кавказе необходимо создать в МРСК подразделение с отделениями в регионах с единым административным и методическим управлением, учитывая, что проект можно разделить на следующие направления:
1. Технологическое - обеспечивает замену устаревшего аналогового оборудования на цифровые системы там, где это возможно по технологическим причинам, так электрические машины, трансформаторы, электрические сети,
коммутирующие установки - это аналоговое оборудование, все контрольно-измерительные, управляющие и информационные системы должны быть цифровыми.
2. Информационное - это мониторинг, контроль, информационный обмен, хранение информации и базы данных, визуализация всех процессов, стенды для тренировок, планирование, принятие решения.
3. Образовательное - это воспитание, подготовка и переподготовка преданных своей профессии кадров для новой энергетики России.
Образовательный процесс, основанный на научных исследованиях в сфере ИЭС, должен начинаться со средней школы и продолжаться в вузах, аспирантурах. При успешной работе на основе этого центра можно будет создать Корпоративный университет инновационной энергетики ПАО «Россети» на Северном Кавказе (типа Singularity University of Energy) с участием вузов, региональных отделений РАН и других заинтересованных организаций. Важной стороной деятельности университета является подготовка кадров. Помимо всего прочего это будет способствовать сокращению оттока креативной молодежи из региона.
4. Бизнес-процессы - это коммерциализация технологий и технических средств ИЭС за счет их реализации на внутреннем и внешних рынках для получения прибыли.
В заключении отметим, что главным бенефициантом переформатирования российской электроэнергетики должно стать ПАО «Россети». Внедрение технологии интеллектуальных электрических сетей ИЭС (Умные сети -Smart Grid) позволит существенно повысить надежность и качество энергоснабжения, эффективность использования первичных энергоносителей, снизить издержки производственных процессов и воздействие на окружающую среду за счет использования ВИЭ и систем аккумуляции. Этот процесс по своей значимости и объему работ можно назвать планом ГОЭРЛО - 2.
Заключение
Для успешной реализации пилотного проекта ИЭС на Северном Кавказе необходимо создать в МРСК подразделение с отделениями в регионах с единым административным и методическим управлением.
Реализация технологии интеллектуальных электрических сетей ИЭС (Умные сети - Smart Grid) позволит существенно повысить надежность и качество энергоснабжения, эффективность использования первичных энергоносителей, снизить издержки производственных процессов и воздействие на окружающую среду за счет использования ВИЭ и систем аккумуляции. Проект «Интеллектуальная Электроэнергетическая Система (ИЭС) ПАО МРСК «Северный Кавказ» - это комплексный проект для электроэнергетики Северокавказского региона, который имеет большое социально-экономическое значение. Его реализация позволит повысить надежность электроснабжения потребителей, повысить уровень платежей, снизить потери в электрических сетях региона до 8-10%, создаст дополнительно несколько десятков тысяч рабочих мест с высокой оплатой труда в различных отраслях народного хозяйства, требующих высококвалифицированных работников, для чего станет необходимым организация соответствующей профессиональной подготовки местных кадров. Помимо этого необходимо будет организовать производство высокотехнологического оборудования и материалов для интеллектуальной энергетики, начиная от нетрадиционных источников энергии до электроавтомобилей, что существенно повысит качество жизни на равнине и в горной зоне Северного Кавказа. Это помимо всего прочего будет способствовать возврату населения в регион.
Список литературы
1. Утверждена дорожная карта «энерджинет» // Цифровая подстанция. - М., 2016. - № 6. - С.8.
2. Хузмиев И. Умные сети и биржевая торговля электрической энергией // Энергия: экономика, техника, экология. - М., 2014. -
№ 9. - С. 28.
3. Рифкин Дж. Третья промышленная революция: Как горизонтальные взаимодействия меняют энергетику, экономику и мир в це-
лом / Пер. с англ. - М.: Альпина нон-фикшн, 2014. - 409 с.
4. Круглый стол «Энергетическая интеграция - внутренние резервы для экономического развития // Электроэнергия. Передача и
распределение. - М., 2016. - № 4. - С. 16.
5. Павлов А. Переход к новой энергетической политике // Электроэнергия. Передача и распределение. - М., 2016. - № 4. - С. 136.
6. Хузмиев И. Устойчивое развитие // Научные труды ВЭО РФ. - М., 2013. - Т. 177. - С. 15.
7. Вентцель Е.С. Исследование операций: Задачи, принципы, методология. Учебное пособие. - М.: Дрофа, 2004.
