Smartgrids (Умные сети) как термин используется с недавних пор в качестве обозначения многих технических операций. Он используется для контроля и анализа электрических сетей. Отмечается, что smartgrid при определённых модификациях может быть полезен для решения разнообразных задач. Во всех странах мира Smartgrid используется для установления связи между различными источниками энергии, подключения этих источников энергии к электрическим сетям и доведения энергии до потребителей, сочетая возможность расчета себестоимости продукции и ее распределения.
Ключевые слова: Smartgrids, умные сети, интеллектуальная сеть, энергия, энергетика, электрические сети.
Впервые термин Smartgrid — умная (интеллектуальная) сеть был введен в 2003 году в работе «Спрос надёжности будет управлять инвестициями» [2]. Также в данной работе были приведены некоторые функциональные и технологические определения интеллектуальных сетей и их преимущества перед обычными.
В России синонимами Smartgrid являются такие понятия, как «интеллектуальная сеть энергетики», «умная сеть», «интеллектуальная энергетическая система», «активно-адаптивная сеть энергетики» [12].
Общее понятие в разных определениях — использование цифровой обработки данных и связи с электросетью. Следовательно, ключевыми технологиями интеллектуальных сетей являются поток данных, а также управление информацией. Общего международного определения данной технологии на сегодняшний день нет [11].
На современный момент можно констатировать, что значительная часть российской энергосистемы имеет моральный и физический износ, что вызывает частые аварийные ситуации.
Схема управления энергетическими сетями была создана в XX веке, потому не соответствует современным эксплуатационным требованиям.
Цель работы состоит в рассмотрении опыта применения умных сетей (интеллектуальных сетей, SmartGrid) в России и за рубежом.
В задачи работы входит рассмотрение преимуществ использования SmartGrid, а также отечественных и зарубежных разработок в данном направлении.
Основой концепции SmartGrid является использование в общей энергосистеме большого числа различных распределенных источников энергии, к которым относятся маломощные станции и установки, которые работают, в том числе, и на возобновляемых энергоисточниках. Использования распределенных источников дает возможность снижения потерь, возникающих в процессе перетоков, а также при транспортировке электроэнергии.
Решение этой задачи является актуальной в связи с ростом числа малых электростанций, использующих установки на биогазе. Из мировой практики следует, что использование биогаза в качестве топлива имеет следующие преимущества:
1) биогаз производится из возобновляемой биомассы, бытовых и промышленных отходов;
2) так как используются различные варианты сырья, то установки для производства биогаза могут строиться практически во всех районах, в которых сконцентрировано сельскохозяйственное производство и связанные с ним отрасли промышленности;
3) в отличие от ветровых и солнечных электростанций, производство электроэнергии из биогаза остается стабильным в течение всего года;
4) использование таких методов переработки бытовых и промышленных отходов, а также биологического сырья, как сбраживание в биогазовых реакторах под действием термической газификации биомассы или сбором биогаза на полигонах ТБО, снижает негативное воздействие на окружающую среду.
Несмотря на то, что использование биогазовых технологий в авиации в ближайшее время является малоперспективным [9], оно является одним из наиболее рациональных путей обезвреживания органических отходов [14]. Использование термической газификации биомассы является альтернативой прямому сжиганию.
В конце 1980 годов за рубежом для биомассы были предложены и получили широкое распространение Интегрированные газификационные циклы (IntegratedGasificationCombinedCycle — далее IGCC). Крупные программы в области IGCC проводятся в Швеции (TPS), США (JGT), Дании (Volund), Финляндии (Тampella, VTT), и др.
Строительство распределенной сети современных малых и средних электростанций позволит увеличить число рабочих мест в малых городах, тем самым, препятствуя переезду населения в крупные города.
Распределенная энергосистемы обладает повышенной безопасностью, так как в случае аварии, отключении подстанции или обрыве линии, возможно перераспределить мощности близлежащих электростанций, направив ее на поврежденный участок.
Использование «умных» счетчиков, которые передают информацию в обоих направлениях, дает возможность автоматизированного оперативного учета потребления электроэнергии. Становится возможным использование дифференцированной по времени суток оплаты за потребленную электроэнергию — в ночное время, когда потребление электроэнергии небольшое, по сниженным тарифам, а по обычным или повышенным тарифам — в дневное время, когда имеет место пиковые нагрузки и повышенное электропотребление.
Использование резервных установок для покрытия пиковых нагрузок только в ограниченные временные периоды вызывает удорожание электроэнергии из-за низкого эксплуатационного КПД подобных установок и ограниченного числа пусков. Применение «умных» счетчиков, позволяющих производить раздельный учет электроэнергии, в зависимости от времени суток, позволяет потребителю снизить затраты, сократив расход энергии в часовой период, когда тариф максимален.
Помимо этого, при помощи специального приложения, потребитель получает возможность дистанционного управления потреблением энергии «умными» приборами, которые подключены к сети Smartgrid.
Также для энергосбытовой компании становится возможным более точно производить расчет платы потребителями и обнаруживать хищения. Если у потребителей имеются собственные установки для производства электроэнергии, они могут продавать ее в сеть, в частности, по повышенной цене в часы пиковой нагрузки.
Самая важная особенность системы состоит в возможности проведения диагностики и обслуживания сетей в зависимости от технического состояния. Системой выполняется сбор таких параметров, как качество энергии, напряжение, сила тока, провалы напряжения, времени провалов.
Использование автоматического анализа дает возможность узнать место возможной неисправности, направив туда ремонтную бригаду, тем самым предупредив более крупную неисправность и выход из строя оборудования.
На современном этапе ремонт выполняется с определенной периодичностью, в соответствии с требованиями нормативных документов (регламентов).
«Умной» сетью постоянно контролируется состояние оборудования, в частности, температура трансформаторов, а также выявляются проблемы на начальном моменте их возникновения [13, С. 72].
Благодаря вводу программы выигрыш также получают производители такого оборудования, как счетчики, новые типы реле, трансформаторы. Провода, в которых используются композиционные вставки, дают возможность пропускать большую мощность, не увеличивая количество проводов.
Подобные проекты уже реализованы в Бристоле и Глазго, Париже и Копенгагене, в Майами, Мельбурне, Сан Пауло и Сингапуре (компания SilverSpringNetworks) [6].
Один из крупнейших проектов по внедрения концепции Smartgrid на территории России реализуется в Белгороде. По всей территории Белгородской области вводится система «Гелиос», представляющая собой автоматизированную систему управления освещением [13, 10]. Данный пример является единственным в России, когда имеет место полная автоматизация и дистанционное управление сетью наружного освещения города и области. Эта система позволяет осуществить управление наружным освещением, постоянно контролировать состояние объектов уличного освещения, а также эффективно учитывать потребление электроэнергии.
Для «умного» учета энергии с использованием автоматизированной системы коммерческого учета, применяются интеллектуальные счетчики «Нейрон». Эти счетчики дают возможность предотвратить хищение, применять до 8 типов тарифных зон, 2 типа дней недели (рабочие / выходные), 2 сезона [18]. Прибором выдерживается ток до 50 ампер, что выше максимально допустимой нагрузки, выдерживаемой счетчиками старого образца. Проверка работоспособности должна выполняться один раз в 10 лет. Срок службы оценивается в 40 лет. Потребитель имеет возможность получить значение напряжения сети на текущий момент, а также просмотреть статистику потребления электроэнергии за день, неделю или месяц [13, С. 85].
Электроснабжение белгородской области осуществляется «Белгород-энерго», являющейся филиалом ПАО «МРСК Центра». С 2009 по 2014 годы компания ввела целый комплекс автоматизированных систем и современного оборудования, которые позволяют оперативно реагировать на все события в энергосистеме, а также осуществлять эффективное управление всем комплексом. База данных единой системы управления активами предприятия, реализованной на базе программного обеспечения SAP хранит сведения о более чем миллионе единицах оборудования, состояние которых оценивается постоянной диагностикой. На отдельных подстанциях 35–110 кВ имеется система мониторинга и диагностики трансформаторов, которая позволяет проводить удаленный контроль и анализ технического состояния силового оборудования, а также обнаруживать неисправности на ранних стадиях. На каждой высоковольтной подстанции используется охранно-технологическое видеонаблюдение [8].
В качестве примера еще одного внедрения «умных» счетчиков можно назвать город Пермь. Ставилась задача отработать, а затем передать по всей России, процессы внедрения и функционирования новых технологий [15]. Было установлено порядка 50 тысяч приборов учета, выполнена наладка верхнего уровня информационно-вычислительного комплекса по учету электроэнергии. Была выполнена полная интеграция приборов 5 различных компаний и программного обеспечения. Окупаемость проекта оценена в 4,5 года. В результате реализации проекта было определено, что лучший вариант установки счетчиков — сетевая организация. В соответствии с Федеральным законом № 261 «Об энергосбережении», устанавливать современные приборы учета обязаны потребители [16].
На данный момент интерес к концепции Smartgrid наблюдается во многих странах. Очевидно, что требования разных районов к сети различны. Начало разработки системы было положено в Европе, чтобы включить в сеть большое количество источников возобновляемой энергии, потому что данные страны имеют ограниченные топливные ресурсы.
Так как использование солнечных и ветровых установок не позволяют получить стабильную мощность, потому что на их работу оказывают влияния погодные условия, в связи с этим необходимо применение интеллектуальной системы, выполняющей распределение энергии между множеством источников и множеством потребителей. Современные накопители энергии дают возможность компенсировать недостаток мощности [11].
В США Smartgrid позиционируется как полностью автоматизированная система, которая объединяет энергетические мощности всей страны.
В Китае на первое место выдвигается вопрос безопасности, а упор делается на использование силовой электроники.
Нужно учитывать, что давно существуют и по отдельности хорошо зарекомендовали себя отдельные средства контроля, учета и управления. Современные «умные» счетчики и реле хорошо справляются со своими функциями. Требуется только объединить их в общую систему.
Рассмотрим существующие использования данных систем в отдельных странах мира.
Муниципалитетом города Майами в 2009 году было предложено вложить 200 миллионов долларов на установку «умных» счетчиков [7].
В западной части острова Оаху, в штате Гавайи используются две линии для передачи энергии. В планах заложена установка новых трансформаторов, которые свяжут северную и южную линии. В первоначальных планах говорилось об установке дополнительных трансформаторов и организации новых подземных линий для наиболее населенных районов. Но потом решение было изменено в сторону применения системы Smartgrid для автоматизации высоконагруженных сетей восточной части Оаху. Данная система со временем должна стать самовостанавливающейся и давать больший энергетический эффект [3].
В городе Боудер, США, штат Колорадо, был реализован один из первых пилотных проектов. Данный город был выбран потому что имеет подходящую инфраструктуру, удобное географическое положение, население составляет 50 тысяч человек большинство из которых являются пользователями веб-ресурсов. Чтобы осуществить эксперимент были выбраны ключевые компоненты, такие как высокоскоростная система двусторонней связи в режиме реального времени, автоматизированные подстанции, сенсоры, источники распределенной генерации и домашние приборы управления электроэнергией [1].
При принятии решений выдвигались различные предположения относительно используемых материалов и оборудования. Стоимость проекта достигала 44,5 миллионов долларов [4]. В общем, проект принес работоспособную систему, но с населением была проведена недостаточная работа. Из-за чего многие жители не знали возможностей установленного в их домах оборудования и не использовали его, поэтому не были достигнуты предполагаемые позитивные изменения.
В настоящей момент на территории Европы реализуется более 280 исследовательских проектов. В качестве одного из наиболее успешных можно назвать введение системы в Дании на полуострове Ютландия. На данной территории имелось небольшое количество потребителей электроэнергии, 12 электроподстанций, 47 ветрогенераторов и 5 установок когенерации, которые экспериментально были объединены в виртуальную электростанцию. До того, как система была введена, полуостров не имел возможности собственным производством даже обеспечить собственные нужды, а после ввода — стало возможным даже поставлять энергию другим пользователям [17].
Уникальность японской электросети состоит в том, что в ее состав входят 2 отдельные сети, работающие на разных частотах и связанные между собой тремя станциями, на которых установлены преобразователи тока. На восточной сети установлено немецкое оборудование, и она работает на частоте 50 герц, а западная использует американское оборудование и работает на частоте 60 герц.
Япония поделена на 10 зон, каждая из которых обслуживается одной компанией, являющейся монополистом на этой территории. Соседние зоны имеют соединение. Такая система считается очень надежной.
Технология Smartgrid в Японии развивается по следующим причинам:
1) наличие большого количества солнечной энергии;
2) экономия энергии стимулируется крупными потребителями;
3) система напряжения регулярно модернизируется.
Япония является мировым лидером по инвестициям в развитие технологии Smartgrid, за последние десятилетие в ее развитие было вложено более миллиарда долларов.
В городе Йокогама проводился первый эксперимент, в ходе которого были объединены энергосистемы нескольких крупных зданий. Для того, чтобы комбинация электричества из общей сети и распределенных источников поддерживала оптимальный уровень потребления энергии предприятиями, вблизи фабрик были установлены небольшие генераторы и аккумуляторные батареи. Помимо этого некоторые дома оборудовались исходя из принципа энергосбережения с использованием оптимальной энергоэффективной системой освещения, отопления и кондиционирования воздуха.
Помимо этого в них устанавливались солнечные энергогенераторные системы, аккумуляторные батареи, которые являлись основой «умных» блоков питания. Эксперимент был начат в начале 2013 года [5].
В Китае основная часть электрической энергии производится тепловыми станциями. Чтобы снизить выбросы углекислого газа наращиваются мощности «чистой» энергии, в том числе, с использование гидро-, ядерных, ветровых и солнечных источников. Рост количества станций, не используемых ископаемые виды топлива, происходит постоянно, так как необходимо внедрять эффективную систему, которая позволит использовать распределенные источники в общей энергетической системе. В общем случае, система передачи электроэнергии характеризуется слабым развитием, потому что наиболее мощные станции удалены от восточного побережья, которое наиболее густонаселенное. Правительством предложено выполнить проектирование и построение трех главных линий электропередачи, каждая из которых к 2020 году должна передавать 20 гигаватт передаваемой мощности.
Технология Smartgrid в Китае внедряется с 1990-х годов. Основной упор должен делаться на силовую электронику, развитие цифровых интеллектуальных подстанций. Главные цели — достижение надежности и безопасности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Общими трудностями внедрения системы Smartgrid является недостаточное понимание того, что в сфере энергетики необходимы коренные перемены, так как имеются сложности объединения оборудования разных производителей в единую систему. Необходимы значительные финансовые вложения, которые окупятся только через длительное время. Потребителям нужно разъяснять возможности снижения денежных затрат, например, использовать скидку на электроэнергию в ночное время.
Есть успешные реализации локальных проектов систем освещения, учета электрической энергии, использование в сети распределенных источников энергии, имеющих малую мощность. Одновременно, в региональных масштабах для замены оборудования необходимы огромные денежные вложения. Эффективность использования крупной распределенной сети, включающей множество поставщиков энергии, на настоящий момент не доказана. Использование «умных» счетчиков дает возможность повысить точность расчетов с населением и снизить возможности хищения электроэнергии. Но большие выгоды можно получить только при правильной работе с потребителями.
На настоящий момент наиболее ценным является опыт Китая.
Основными целями должны стать:
1) автоматический контроль за показателями качества электроэнергии на всех участках цепи;
2) безопасность и бесперебойное снабжение энергией;
3) быстрое реагирование на возникающие неполадки, что позволит предотвратить аварийное развитие событий.
Из проведенного анализа можно сделать вывод, что не является необходимым связывание в единую систему всех энергетических источников страны. Связывать нужно в локальных масштабах, соединяя некоторые соседние станции. Это позволит распределять энергию.
Виртуальные электростанции нужно только в районах, в которых расположено большое количество энергоисточников, использующих нетрадиционные виды топлива.
Для предупреждения развития аварийных ситуаций крайне важно проводить установку приборов для контроля состояние оборудования подстанций и сети.
Современные счетчики, которые позволяют более точно проводить расчеты с потребителями и снижать возможность хищения электроэнергии, успешно используются во всем мире. Целесообразность их установки уже подтверждена многими реализованными проектами. Для современного этапа технологического развития, необходимость использования подобных технологий является очевидной.
Чтобы проект внедрения технологии Smartgrid имел успешную реализацию, необходимо выполнение следующих условий:
1) государственная поддержка и контроль инвестиций в данную сферу;
2) разработка нормативно-правовой базы;
3) разъяснение конечным потребителям их прав и возможностей.
Литература:
1 April Nowicki. Boulder`s Smart Grid Leaves Citizens in the Dark. // Сайт GTM. Режим доступа: http://www.greentechmedia.com/articles/read/Boulders-Smart-Grid-Leaves-Citizens-in-the-Dark
2 Burr M. T. Reliability demands drive automation investments. // Fortnightly. TechnologyCorridor. 2003. Nov. 1. Режим доступа: http://www.fortnightly.com/fortnightly/2003/11/technology-corridor
3 Hawaiian Electric Company. Integrated automation helps improve grid reliability. // Сайт Siemens. Режим доступа: http://w3.usa.siemens.com/smartgrid/us/en/webinars/leadthecharge/Documents/Heco_CaseStudy.pdf
4 Mark Jaffe. Xcel`s Smart Grid City plan fails to connect with Boulder. // The Denver Post BUSINESS. Режим доступа: http://www.denverpost.com/business/ci_21871552/xcels-smartgridcity-plan-fails-coonect-boulder
5 Project acronym GRID+. D 1.5 — Map of Smart grids initiatives: international outreach. Projectno.: 282794. // EEGI. 01 October 2011. 132 p. Режим доступа: https://www.google.ru/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CBsQFjAAahUKEwjR1cXXoJfJAhXl_nIKHSRvBi0&url=http %3A %2F %2Fwww.gridplus.eu %2FDocuments %2FDeliverables %2FD %25201.5 %2520–2307–0595
6 Silver Spring Networks Selected for Comprehensive Smart City Deployment in Paris. // СайтSilverspring. Режим доступа: http://www.silverspringnet.com/article/silver-spring-networks-selected-for-comprehensive-smart-city-deployment-in-paris/#.VjptrNLqiko
7 Stern S. M. Smart-Grid: Technology and the Psychology of Environmental Behavior Change. // Chicago-Kent Law Review. 2011. Vol. 86. Iss. 1. (Symposium on Energy Law). Article 7. Р. 139–160
8 Белгородэнерго: о филиале. // Сайт компании ПАО «МРСК Центра». Режим доступа: http://www.mrsk-1.ru/about/branches/belgorodenergo/about/
9 Бурцев С. А., Самойлов М. Ю., Симаков М. В. Анализ экологических аспектов применения перспективных схем силовых установок ближне- и среднемагистральных самолетов // Безопасность в техносфере. М.: НИЦ ИНФРА-М. 2015. Т. 4. № 2. С. 67–72
10 Гелиос. Автоматизация. Эффективность. Экономия. // Официальный сайт ООО «ИВТБелГУ». Белгород. Режим доступа: http://www.helios.su/
11 Гуревич В. И. Интеллектуальные сети: новые перспективы или новые проблемы? Ч. 2. // Электротехнический рынок. 2011. № 1–2 (37–38). C. 90–97
12 Егоров В., Кужеков С. Интеллектуальные технологии в распределительном элек-тросетевом комплексе // ЭнергоРынок. 2010. № 6. С. 26–28. Режим доступа: http://www.e-m.ru/er/2010–06/29619/
13 Кобец Б. Б., Волкова И. О. Инновационное развитие электроэнергетики на базе кон-цепцииSmartGrid. — М.: ИАЦ Энергия. 2010. — 208 с.
14 Куфтов А. Ф., Кузьмина Ю. С. Перспективы применения твердых топлив из биомассы //Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана.2011. № 8.6c. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/216747.html
15 Ледин С. С. Концепция «электроэнергия — товар» как катализатор развития SmartGrid. // Автоматизация в промышленности. 2012. № 4. С. 23–26
16 Опыт реализации проекта SMARTMETERING в Перми. // Сайт Информационного центра СРО НП «Энергострой». Режим доступа: http://www.infocenterpro.ru/publications/1622090/
17 Семёнов В. Технология Smartgrid и будущее мировой электроэнергетики // Электрик. Международный электротехнический журнал. 2013. № 12. С. 16–20
18 Счетчики электроэнергии Нейрон для систем АСКУЭ. // Сайт кампании «Электро-мир». Белгород. Режим доступа: http://www.electromirbel.ru/neyron
