Введение
После десятилетий постепенного развития энергосистемы претерпевают
значительные изменения под влиянием возрастающих потребностей в
интеграции возобновляемых видов энергии, устаревания оборудования,
требований энергоэффективности и возрастающей обеспокоенности по поводу
уязвимости системы при увеличении количества самостоятельных субъектов в
условиях либерализации энергетических рынков. Эксплуатация энергосистем
становится всё более сложной, что в конечном счёте потребует широкого
внедрения интеллектуальных средств в интересах обеспечения безопасности,
экономичности и эффективности, при этом создавая предпосылки
возникновения концепции «умных энергосистем» (SmartGrids).
Новая энергетическая парадигма
В настоящее время эксплуатация электрических сетей основана на четырёх
постулатах, обусловленных структурой глобальной электроэнергетической
системы:
■ Большая часть электроэнергии производится крупными
электростанциями, расположенными в стратегических по отношению к
функционированию точках электрической сети.
■ Передающая электрическая сеть предназначена для передачи
электроэнергии от крупных электростанций в центры энергопотребления и
распределительные сети. Она представляет собой основание всей
энергосистемы, оснащена сложным оборудованием и управляется
централизованно в соответствии с иерархическим принципом организации.
■ Распределительные сети - промежуточное звено между передающей сетью
и конечным потребителем. Они присоединены к передающей сети через
специальные интерфейсы, называемые подстанциями, с помощью
трансформаторов. В силу экономических причин и для упрощения
эксплуатации распределительные сети в основном имеют радиальную
структуру. В условиях отсутствия значительных местных источников энергии
(подключённых на уровне распределения) распределительные сети
характеризуются однонаправленностью потока энергии от подстанции к
конечному потребителю.
■ Конечные потребители, являющиеся преимущественно пассивными клиентами,
характеризуются нерегулируемым потреблением и не участвуют в управлении
системой.
Первые три сегмента, хотя они и институционально разделены по чётко
определённым сферам ответственности, тесно взаимосвязаны и подчиняются
определённым законам физики, в частности, балансу
производства-потребления, или техническим ограничениям. Данная система в
целом была разработана для производства, передачи и распределения
электроэнергии в соответствии с лучшими стандартами качества,
безопасности и экономии. Наиболее сложная из когда-либо созданных
человеком, она состоит из миллионов километров проводов и кабелей,
генераторов, трансформаторов, точек подсоединения и т.п., объединяет в
себе несколько уровней напряжения, современные центры и оборудование
управления и защиты.
Например, французская энергосистема включает 1 300 ООО км линий
электропередачи и кабелей. Кроме того, большинство электроэнергетических
систем на континенте связаны между собой (как например, в Европе или в
Северной Америке) и достигают внушительных размеров, в то время как
управление ими все ещё остаётся ограниченным в масштабах и
осуществляется, в лучшем случае, на уровне каждой отдельной страны.
В настоящее время управление этой системой централизовано и организовано
иерархически на уровне каждой энергетической "компании или каждого
оператора распределительных сетей, принимая во внимание, что любое
нарушение может привести к проблемам на уровне объединённой
энергосистемы. Примером негативного воздействия глобального характера
служит отключение энергоснабжения в Европе 4 ноября 2006 г., когда
отключение электрической линии на севере Германии привело к серьёзным
нарушениям по всей Европе (разделение объединённой зоны на три области с
различными частотами, погашение нагрузки равной 5 ООО МВт во Франции и
т.д.). Точно так же в 2003 г. обесточивание линии в Швейцарии стало
причиной полного отключения электричества в Италии. Аналогичный
инцидент, произошедший месяцем ранее в США, затронул большую часть
энергосистемы на северо-востоке США и в Канаде (около 50 млн
потребителей остались без электричества). Отличительной особенностью
этих нарушений является то, что они затронули сразу несколько штатов
(или стран) и электроэнергетических компаний, объединённых, но не
имеющих глобальной системы управления.
В конце 90-х годов система, которая в течение почти столетия оставалась
относительно стабильной, претерпела значительные изменения. В основном
они были вызваны либерализацией энергетических рынков и её
последствиями: увеличением количества субъектов, разделением
ответственности, разобщённостью и отсутствием слаженного взаимодействия
между участниками системы.
В связи с ростом обеспокоенности современного общества состоянием окружающей
среды, строительство новых объектов электроэнергетической инфраструктуры,
таких как воздушные линии электропередачи и электростанции, работающие на
ископаемых видах топлива, всё более затруднено. Возведение подобных
сооружений местным населением воспринимается в штыки (синдром NIMBY(«только
не на моей территории»)). Наряду с требованиями по обеспечению надёжности
энергоснабжения, эта обеспокоенность подвигла различные уполномоченные
органы к принятию нормативных мер по поощрению использования возобновляемой
энергии, чистых средств передвижения и повышению энергоэффективности,
зачастую связанных с амбициозными целями в этих направлениях.
Что касается источников возобновляемой энергетики, то некоторые из них будут
подключаться непосредственно на уровне передающих электрических сетей, как
например, большие ветровые электростанции. Устройства меньшей мощности
(часто менее 10 МВт) будут интегрированы в системы распределения, и эти
источники электроэнергии известны как «распределённая генерация» (DistributedGeneration).
Развитие таких источников энергии оказывает сильное влияние на традиционное
функционирование электроэнергетических систем на уровне передающих и
распределительных сетей [1].
Системы передачи, считающиеся основным звеном энергосистемы благодаря своей
роли в обеспечении баланса между производством и потреблением энергии и в
обеспечении общей надёжности системы, уже оснащены самыми современными
средствами управления и мониторинга. В отличие от них, системы распределения
были спроектированы иначе, исходя из экономических причин, в частности из-за
их широкого территориального распространения и рассредоточенности.
Исторически системы распределения не были предназначены для интеграции
большого количества производящих электроэнергию установок, а именно
децентрализованных и распределённых источников энергии.
Кроме того, распределённые источники электроэнергии зачастую обладают
прерывистым характером действия (например, фотоэлектрическая энергия и
энергия ветра), и поэтому, если уровень их внедрения достигнет определённого
значимого порога, требуется специальное управление.
Сегмент конечного пользователя также заметно эволюционировал. Действительно,
«пассивные» потребители, которые динамически не взаимодействовали с
электроэнергетической системой, в настоящее время находятся в процессе
преобразования, в особенности благодаря разработке «интеллектуального
счётчика» и связанных с ним сервисов. Они, например, могут управлять
нагрузкой, что позволяет им участвовать в разрешении некоторых сетевых
ограничений, снижая пиковое потребление или предлагая другие услуги,
необходимые системе.
С развитием распределённой генерации конечный пользователь может, будучи
потребителем, стать ещё и производителем или «источником» накопления
энергии. Таким образом, потребитель становится «активным» или даже
«сверхактивным», когда открываются возможности по «регулированию нагрузки»,
«местному производству» или «накоплению энергии», в зависимости от
требований законодательства, структуры рынка или доступных технологий. Кроме
того, ожидаемое развитие гибридных и электрических транспортных средств
будет способствовать усложнению управления системой, учитывая их зарядные
характеристики и возможностями накопления электроэнергии. Эти изменения
вдохновляют инженеров и исследователей на разработку нетрадиционных решений
для преодоления проблем и удовлетворения меняющихся потребностей, сводя к
минимуму вложения в систему и оптимизируя всю энергетическую цепочку.
Электрическая сеть - ключевое звено для любой формы использования
электроэнергии, способствует росту добавленной стоимости всех компонентов,
подключённых к ней. Это достигается за счёт характеристик и возможностей
электроэнергетической системы по объединению во времени и в пространстве
различных средств производства электроэнергии и распределённых потребителей.
В наше время электроэнергетическая система столкнулась с глубокими
изменениями, такими же значительными как открытие электричества. Решения,
которые должны быть разработаны для преодоления проблем, порождённых этими
изменениями, предполагают более широкое внедрение в сеть интеллектуальных
систем, используя преимущества передовых информационных и коммуникационных
технологий (ИКТ). Все эти соображения приводят к появлению концепции
интеллектуальных сетей или SmartGrid.
Информационные и коммуникационные технологии на службе электроэнергетической
системы
Новейшие достижения в сфере ИКТ, доступные сейчас по разумной цене,
представляют готовые решения для электроэнергетической системы, которые
невозможно было представить ещё несколько лет назад. Поэтому возможность
установки у конечного пользователя счётчиков с двунаправленным обменом
данными с сетью и со встроенными средствами интеллектуального управления
энергопотреблением меняет будущее видение этих сетей. Такое взаимодействие
между конечным потребителем и электроэнергетической системой через
поставщика энергоресурсов, агрегатора, торгового агента или через саму
распределительную компанию может осуществляться посредством различных
средств связи, но с непосредственным воздействием на электроэнергетическую
систему.
Электрические сети оснащены различными современными средствами связи, а
также программными средствами для центров контроля и управления. Эти
средства, по большей части, относятся к передающим электрическим сетям,
которые имеют определяющее значение в обеспечении надёжности системы в
целом. На уровне подстанций также присутствуют передовые технологии,
например французская цифровая станция управления (PCCN), но в основном на
стороне передающей электрической сети. В числе первых интернет-приложений
для бизнеса было разработано решение в сфере электрических сетей:
обеспечения параллельного и равноправного доступа участников рынка к одной и
той же информации о располагаемой пропускной способности сети. Помимо
данного приложения, предлагаемые Интернетом возможности применяются для
удовлетворения различных потребностей энергосистемы, например, веб-сервисы,
приложения, не требующие контроля в режиме реального времени, средства
наблюдения и мониторинга без использования критической информации и т.д.
В системе распределения электроэнергии применение подобных технологий менее
заметно. Также можно упомянуть пример Франции по передаче тарифных сигналов
через систему связи по линиям электропередачи или управление абонентской
платой для конечных пользователей в пиковые/непиковые периоды.
Тем не менее, демократизация ИКТ с появлением такого оборудования как
устройства асимметричной модификации цифровой абонентской линии (ADSL), с
помощью которых предоставляются и объединяются некоторые медиауслуги на
стороне конечного пользователя, а также двунаправленных коммуникационных
возможностей, благодаря использованию интеллектуальных счётчиков,
подчеркнула потенциал, который эти технологии могут привнести в обеспечение
гибкости электроэнергетической системы.
Информационные и коммуникационные технологии для электроэнергетических
систем представляют собой, во-первых, встроенное
программное обеспечение на уровне элементов или центров управления, и
во-вторых, физические средства связи (программируемые логические
контроллеры, выделенные линии, оптоволоконные, беспроводные, WiFi, ADSLи
др.). Особый интерес вызывают следующие функции:
■ интеллектуальный счётчик в разных вариантах: широкополосная
двунаправленная связь со средствами регулирования нагрузки или без них и
возможностью предложения энергетических услуг с помощью различных средств
связи;
■ усовершенствованные устройства для управления потреблением
электроэнергии и энергетические услуги на стороне конечного пользователя,
которые могут быть связаны с интеллектуальными счётчиками либо пользоваться
преимуществами возможностей ADSL;
■ интеллектуальные средства, связанные с различными домашними, третичными
или промышленными компонентами потребления, относящимися к
энергоэффективности или надёжности самой электроэнергетической системы.
Типичным примером служит интеллектуальное и децентрализованное отключение
нагрузки бытовых электроприборов, которое срабатывает на колебания частоты
или напряжения сети;
■ средства наблюдения, оперативно-диспетчерского управления и управления
сетью, связанные с производством и потреблением электроэнергии. Сюда
относятся интеллектуальные датчики, управление ими, передача и обработка
возрастающих объёмов информации, а также программное обеспечение для помощи
операторам энергосистем и прикладные программы реального времени, в том
числе по надёжности электрической сети даже на уровне систем распределения
[усовершенствованная система управлениям на уровне распределения (DMS)];
■ интеллектуальные функции, выполняющиеся «объектами» или «устройствами»
в рамках электрической сети, характеризуются следующей последовательностью:
измерение, анализ, решение, действие и сообщение. Подобная «цепочка»
свойственна целому ряду приложений: от устройств защиты и переключения до
децентрализованного регулирования напряжения и технологий
самовосстановления. Она относится ко всей автоматизации системы
распределения, с более конкретными функциями распределённого и автономного
управления.
Подобные разработки относятся к широкому спектру технологий и влияют на всех
участников, взаимодействующих в рамках электроэнергетической системы. При
этом предполагается, что все устройства, субъекты и системы способны
взаимодействовать.
Интеграция передовых технологий
Изменение системы представлений, в особенности в распределительной сети,
развитие ИКТ, усовершенствование отдельных компонентов преобразования
энергии (например, в области силовой электроники), достижения в сфере
устройств и систем защиты от сбоев способствовали появлению новых
технологий, которые будут влиять на развитие электроэнергетической системы.
Некоторые конкретные примеры таких технологий приведены ниже:
■ Быстроразвивающаяся распределённая генерация, которая оснащается
подключаемыми автоматически настраиваемыми устройствами по типу «включай и
работай».
■ Интеллектуальные или коммуникационные счётчики. Некоторые страны
приступили к реализации крупномасштабных проектов в домах потребителей
электроэнергии по замене обычных счётчиков на интеллектуальные
(предполагается замена десятков миллионов счётчиков в зависимости от размера
сети или области полномочий коммунального предприятия). В настоящее время
развитие использования подобных счётчиков также связано с нормативными
требованиями (как, например, в Европе). Снятие показаний счётчика
производится удалённо и может служить порталом для других целей, к примеру,
для контроля качества электроэнергии и других энергетических услуг. Кроме
того, это позволит более точно определять кривые и профили нагрузки в жилых
районах. Можно ожидать некоторую оптимизацию в управлении потреблением
электроэнергии (например, регулирование спроса на уровне устройств,
оптимизация счетов за электроэнергию, пакетные услуги, дистанционное
обслуживание, безопасность и т.д.). Помимо этих аспектов, применение
подобных устройств потенциально выгодно для всех заинтересованных сторон:
потребителей, поставщиков энергии, агрегаторов, операторов сетей,
организаций, оказывающих услуги по балансированию и т.д.
■ Исполнительные механизмы, интегрированные в электроэнергетическую систему.
Эти устройства, как правило, основываются на силовой электронике и служат
для более эффективного управления потоками мощности или другими сетевыми
переменными, такими как напряжение или токи КЗ. Также они могут
предоставлять возможности для управления структурой сети в условиях
чрезвычайных ситуаций (устройства быстрого замыкания и размыкания контуров
для радиальных структур, сверхпроводящие или статические ограничители тока
КЗ, адаптивные компенсаторы среднего и низкого напряжения, устройства
регулирования напряжения и т.п.).
■ Быстродействующие коммутационные устройства и интеллектуальная защита.
Значительные успехи достигнуты в области коммутационных устройств, таких как
выключатели с дистанционным управлением для частого использования.
Уменьшение стоимости оборудования и увеличение его срока службы предоставили
возможность использования новых режимов работы сети, не доступных ранее.
Кроме того, устройства защиты стали более эффективными и могут
самостоятельно адаптироваться к условиям работы. В дальнейшем можно будет
предусмотреть новые режимы работы сети, позволяя управлять
электроэнергетической системой ближе к предельным условиям. Также,
коммутационные устройства и связанную с ними защиту следует рассматривать с
точки зрения эволюции к новым сетям постоянного тока, - от «микросетей» (microgrids)
к «суперсетям» (supergrids).
■ Высокопроизводительные и экономически эффективные датчики в составе
существующих устройств или по отдельности. Например, слабое оснащение
распределительных сетей измерительными приборами создаёт проблему
обеспечения наблюдаемости этих сетей. Появление недорогих датчиков в
сочетании с соответствующими коммуникационными возможностями создаёт
дополнительные перспективы в части обеспечения наблюдаемости, таким образом,
улучшается управление над распределительными сетями в режиме реального
времени. Можно упомянуть устройства, в которых уже предусмотрены данные
возможности измерения, например, индикаторы коротких замыканий. Примером
служат доступные датчики на базе технологий MEMS(микроэлектромеханические
системы). Также доступные устройства синхронизированных векторных измерений
на уровне распределительных сетей могут рассматриваться в категории
совершенных датчиков.
■ Усовершенствованная EMS(система управления энергопотреблением) и
DMS(система управления распределением). Данные функции могут находиться в
традиционных центрах управления или быть распределены/рассредоточены по
распределительным сетям (программируемой подстанции или децентрализованному
устройству управления и сбора данных SCADA). Например, на уровне
распределения данная система позволяет собирать информацию из другой зоны
сети и запускать действия в реальном времени, что ранее было невозможно.
■ Накопители энергии. Несмотря на то, что на сегодняшний день возможности
накопления электроэнергии в больших масштабах небольшие, а общая стоимость
данной операции высока, в будущем можно ожидать значительного прогресса в
связи с развитием непостоянных источников возобновляемой энергии.
■ Сверхпроводниковые устройства включают в себя, например, ограничители
тока КЗ и сверхпроводящие кабели в интеллектуальной сети или на уровне
управления в цепи «устранения повреждения», или управления на уровнях
напряжения и потоков электроэнергии.
Главные стимулы развития интеллектуальных сетей
Явления и факторы, стимулирующие развитие концепции интеллектуальных
сетей, разнообразны и включают в себя технические, экономические и
регулятивные аспекты. Принимая во внимание вышеперечисленные элементы,
главные стимулы развития концепции интеллектуальных сетей сформулированы
следующим образом (неполный перечень):
■
изменение энергетической парадигмы, характеризуемое, в
частности, либерализацией энергетических рынков, развитием
распределённой генерации и, конкретнее, ВИЭ, а также многочисленностью
субъектов сферы энергетики, требует:
-недискриминационного доступа к сети;
-управления периодичностью поступления энергии от ВИЭ;
-управления наблюдаемостью и диспетчеризацией распределённой генерации и
т. д.;
■
устаревание существующей энергетической инфраструктуры;
■
необходимость адаптации сети к широкомасштабной интеграции
распределённой генерации при наилучших условиях безопасности и
экономических условиях (необходимость оптимизации инвестиций). Подобная
адаптация требует большей гибкости сети и её компонентов, включая
совершенствование автоматизации;
■
инновационные технологии, связанные с ИКТ, электросетевыми
объектами (силовыми выключателями для частых коммутаций по доступным
ценам, устройствами защиты, датчиками, ...) и интеллектуальными
счётчиками, в которые может быть внедрён интеллект для оказания
предлагаемых услуг, относящихся к оптимизации потребления (взаимодействие
между потребителем и поставщиком энергии);
■
возросшая потребность качества электроснабжения (которое
может быть различным в зависимости от прибора или иного критерия),
включая надёжность энергоснабжения;
■
необходимость объективного признания сложности
энергетической системы в её пространственном (энергообъединения) и
временном (динамическом) аспектах.
Определения интеллектуальных сетей
Много точек зрения существует на концепцию интеллектуальных сетей. Это
объясняет факт, что, несмотря на относительное сходство основных
факторов развития интеллектуальных сетей в разных частях света,
приоритеты развития различаются. Например, в ЕС первоочередными являются
проблемы интеграции ВИЭ, энергоэффективности и интеграции рынков ЕС в
рамках безуглеродной экономики, в то время как для США - аварии с
нарушением энергоснабжения, ситуации пикой нагрузки и устаревание
производственных объектов. В Китае быстрое развитие энергосистемы,
потребность в объединении крупных ветровых электростанций в северных
районах и создание связей между различными провинциями являются самыми
актуальными проблемами, причём задачи развития гибридных автомобилей с
подзарядкой от электросетей, создания фотоэлектрических установок и
микросетей также становятся всё более насущными. Технологическая
платформа №1 в ЕС предлагает, к примеру, весьма широкое определение
концепции интеллектуальных энергосистем SmartGrids,
которое включает технологические решения, проблемы рынка,
коммуникационные технологии, стандартизацию и режимы регулирования.
Согласно данной Технологической платформе ЕС по интеллектуальным сетям
SmartGrids[13], концепция интеллектуальных
энергосистем определяется как «электрическая сеть,
которая рациональным образом объединяет действия производителей и
потребителей энергии, присоединённых к ней, в целях эффективного
обеспечения устойчивого, экономически целесообразного и надёжного
электроснабжения».
Министерство
энергетики США сформулировало более подробное определение
интеллектуальных сетей: «интеллектуальная сеть способна
к самовосстановлению, создаёт возможность активного участия потребителей,
активно реагирует на атаки и стихийные бедствия, объединяет в себе все
возможности производства и хранения энергии, делает возможным внедрение
новых продуктов, услуг и рынков, оптимизирует использование объектов и
функционирует эффективно, обеспечивает качество электроэнергии для
цифровой экономики»
(источник:Министерство энергетики США).
Несмотря на существование нескольких определений для концепции
интеллектуальных энергосистем, их можно обобщить, определив
интеллектуальную энергосистему как объединение энергетической
инфраструктуры и встроенных/децентрализованных ИКТ (программного
обеспечения, автоматизации, обработки информации). Соединение двух
инфраструктур обеспечивает наличие требуемого «интеллекта». Данный
интеллект может быть представлен на различных уровнях электрической сети
(генерация, сетевое программное обеспечение, потребление, мониторинг и
управление). В связи с этим, концепция интеллектуальных энергосистем
представляет собой значительный этап прогресса, достижение которого из
существующей сети может быть только поэтапным.
Возможно прогресс приведёт к важным корректировкам, которые изменят
основную задачу операторов системы распределения, например, посредством
перехода от традиционной односторонней доставки электроэнергии к
активному управлению потоками электроэнергии и информации в сети.
Задачи, решаемые интеллектуальными передающими электрическими сетями
Как было указано выше, исторически передающие электрические сети
объединили в себе намного больше интеллекта и сложного оборудования,
включая использование ИКТ, чем распределительные сети в целях
обеспечения соответствия требованиям общей системной надёжности. Таким
образом, можно определить различия между задачами передающих и
распределительных сетей. Изменение энергетической парадигмы также
оказало влияние на передающие электрические сети:
■ Либерализация энергетических рынков, множественность
субъектов. Результатом стало разделение обязательств,
необходимость участия управляющих субъектов, которые могут иметь
противоположные интересы, включая отсутствие дискриминации и
мотивирование любого решения, затрагивающего субъектов. Кроме того,
управление информацией в этом контексте приобрело первостепенную
значимость для функционирования системы.
■
Крупномасштабное развитие ВИЭ, например, создание крупных
ветровых электростанций с мощностью в несколько десятков мегаватт,
присоединённых на уровне передающих сетей (выше 63 кВ на примере Франции).
ВИЭ стремительно развиваются, особенно в отношении морских ветровых
электростанций. Данные виды энергии оказывают влияние на всю
объединённую энергосистему (например, масштабное строительство ветровых
электростанций в Германии оказывает влияние на европейскую объединённую
электроэнергетическую систему).
■
Наблюдаемость распределённой генерации,
которая может оказать воздействие на передающую электрическую сеть:
на локальном уровне, в частности, традиционное разделение передающих и
распределительных сетей ставится под вопрос при развитии распределённой
энергетики. Широкомасштабное развитие распределённой энергетики может
вызывать в определённые периоды обратные потоки электроэнергии от
системы распределения к системе передачи и, таким образом, повлияет,
например, на уровни высшего напряжения (передача).
В настоящее время данные децентрализованные устройства производства в
большинстве случаев не наблюдаемы, и большая их часть находится в
юрисдикции распределительных сетей.
■
Европейская (или континентальная)
интеграция. Множественность транзакций и развитие
крупномасштабного переменной генерации на континентальном (европейском)
уровне требует обеспечения наблюдаемости на континентальном (европейском)
уровне над всей сетью иидеального согласования действий системных
операторов. Некоторые европейские страны уже предприняли первые шаги к
обеспечению наблюдаемости - создание платформы CORESO[11].
Подобное сотрудничество и обмен информацией должны стать всеобщими в
целях широкого охвата энергетической сферы (вся объединённая
энергосистема) при учёте деловой (субъекты) и технической информации о
всех источниках производства электроэнергии, особенно непостоянных,
включая приложения, работающие в режиме реального времени.
К данным взаимосвязанным факторам можно добавить возрастающие трудности,
возникающие при строительстве новых воздушных линий электропередачи, а
также необходимость управления энергосистемами всё с большим
приближением к пределам эксплуатационной надёжности.
Задачи, решаемые интеллектуальными передающими электрическими сетями,
тесно связаны с вышеперечисленными факторами в отношении обеспечения
баланса производства и потребления. Первостепенное значение имеет
сохранение общей надёжности системы в оптимальных экономических условиях.
Очевидно, что, по сравнению с распределительными сетями, передающие
электрические сети имеют иной характер.
Задачи, решаемые интеллектуальными распределительными сетями
В отношении распределительных сетей встают иные проблемы, нежели для
передающих электрических сетей. Они возникают на стыке с передающими
сетями и на стороне конечного потребителя. Как таковые, задачи связаны с
развитием сетей в части их связи с конечным пользователем,
распределённой генерацией и новыми областями использования, такими как
развитие гибридных автомобилей с подзарядкой от электросетей.
Развитие
распределительных сетей: путь к сетям с более
совершенным интеллектом
Режимы функционирования распределительных сетей последующих лет будут
зависеть от проблем, которые вызовет их применение, и от поставленных
задач [7].
Учитывая сочетание вышеупомянутых проблем с различными внутренними
ограничениями электроэнергетических систем (капиталоёмкая инфраструктура,
трудности проведения новых линий электропередачи, возрастающая сложность,
взаимодействие с конечным пользователем и т.д.), эволюция
распределительных сетей должна включать интеграцию определённой формы
интеллекта в структуру и управление, что сейчас и происходит во многих
странах (интеллектуальные сети в Европе, Соединённых штатах, Китае,
Японии и др.). Внедрение данного «усовершенствованного» интеллекта,
например, в распределительные сети само по себе является амбициозной
задачей. Тем не менее, оно может помочь в более или менее короткие/средние
сроки модернизировать данную инфраструктуру, которая получила меньшую
пользу от использования новейших технологий в энергосистеме по сравнению
с системами передачи.
Очевидно, что для достижения данных «качественных» изменений потребуются
инвестиции, поскольку существует значительный разрыв между текущим
состоянием электрической сети и её конечным статусом, в котором она
будет представлять собой сеть с более совершенным интеллектом.
Технические задачи
■
Обеспечение крупномасштабного объединения ВИЭ, включая все
варианты хранения энергии, содействие развитию гибридных автомобилей с
подзарядкой от электросетей и расширение участия потребителей (концепция
активного потребителя и оптимизации потребления) при наилучших возможных
экономических условиях, качестве энергии и надёжности электроснабжения.
■
Повышение общей энергоэффективности, в частности, путём
значительного увеличения эффективности энергетической цепочки в целом и
уменьшения воздействия распределительной системы электроснабжения на
окружающую среду.
■
Предоставление возможностей простого и эффективного
управления системой при одновременном её усложнении, в том числе за счёт
управления большими объёмами информации.
■
Развитие взаимодействия между различными субъектами и
участниками (например, между системой передачи и распределения
электроэнергии).
Социально-экономические и экологические задачи
Помимо технических можно выделить задачи, связанные с внешними факторами,
такие как влияние инноваций, создание рыночной стоимости и рабочих мест,
усовершенствование знаний, управление опытом или уменьшение
экологических последствий деятельности человека.
Интеллектуальные энергосистемы рассматриваются в качестве «объединяющей
и организующей концепции», которая создаёт ценность путём разумной
системной интеграции и может включать в себя развитие других
экономических секторов (инфраструктуры ИКТ, электрооборудования,
домашней автоматизации, энергетических услуг, условий окружающей среды и
пр.). Проекты организации, связанные с интеллектуальными сетями, могут
стать стимулами крупномасштабных инноваций не только в энергетическом
секторе, но также и в других секторах, связанных с данной концепцией.
Вовлечение заинтересованных лиц в реализацию концепции
интеллектуальных энергосистем
Под «заинтересованными» понимаются лица, которые могут осуществлять
взаимодействие или быть составляющими элементами системного видения
концепции интеллектуальных энергосистем:
■
потребители, чьи ожидания относительно качества
электроснабжения, воздействия на окружающую среду и снижения цен на
электричество необходимо принимать во внимание. Установка
интеллектуальных счётчиков в сочетании с устройствами управления (energybox)
преобразует поведение потребителей посредством активного и понятного
изменения структуры потребления при сохранении комфорта потребителей;
■
системные операторы (передача и распределение), отвечающие
за системную надёжность и качество энергоснабжения в приемлемых
экономических условиях. Их средства воздействия на функционирование
электрической сети будут расширены, при этом они смогут воспользоваться
преимуществами ИКТ;
■
производители электрооборудования, которые разработают и и
предоставят компоненты и готовые решения, направленные на обеспечение
функционирования электрической сети и её надёжности;
■
поставщики услуг, связанные с использованием ИКТ, которые
разрабатывают и внедряют программное обеспечение и другое информационное
оборудование для осуществления функций поддержки информации, мониторинга
и управления электрической сети и её компонентов; данная группа также
включает в себя поставщиков телекоммуникационных систем;
■
централизованные и децентрализованные производители
электроэнергии, заинтересованные в развитии сети для предотвращения
появления ограничений на их интеграцию в энергосистему;
■
поставщики электроэнергии и услуг, в том числе агрегаторы,
которые будут принимать участие в организации системы и иметь
возможность оказывать энергетические услуги;
■
научно-исследовательские и инновационные центры,
результаты исследований которых будут применены на практике в
электрической сети после проведения лабораторных испытаний;
■
образовательные и учебные заведения, такие как
университеты, которым будет отведена важная роль в подготовке
квалифицированных специалистов и использовании опыта, необходимого для
развития интеллектуальных сетей;
■
регулятивные органы, такие как Французская комиссия по
вопросам регулирования энергетики (CRE-Commission
de
regulation
de I'energie),представители
местных властей и организаций - производителей электроэнергии, такие как
Национальная федерация концессионных сообществ и сетей (Federation
nationale
des
collectivites
concedantes et
regies)
и энергетические агентства, такие как French
Ademe;
■
организации по стандартизации.
Примеры развития
инновационных
концепций
Концепция интеллектуальной энергосистемы представляет важную и
масштабную научно-исследовательскую программу, выполняемую на протяжении
различных периодов времени (коротких, средних и длительных). Её
выполнение включает несколько этапов, в том числе исследования,
разработки, опытные демонстрации, отзывы потребителей и, наконец,
процессы внедрения. Несколько научно-исследовательских проектов
осуществляется по всему миру [8].
Далее представлены несколько примеров инноваций, призванных решить
отмеченные ранее задачи:.
■
Распределение
интеллекта (например, адаптивный регулятор напряжения,
процесс децентрализованного принятия решений, интеллектуальная защита).
Данный вид устройств позволяет значительно ускорить внедрение
распределённой генерации в существующую электрическую сеть посредством
устранения специфичных для интеграции распределительной генерации
ограничений [2, 9].
■
Самовосстанавливающиеся распределительные сети.
Быстрое обнаружение и предотвращение, изолирование и
восстановление нормальной работы автоматически и оптимальным образом
после возникновения возмущения). Пример данной разработки представлен в
[3, 6, 9].
■
Наблюдаемость электрической сети,
особенно в отношении распределительных
систем. Передающая электрическая сеть рассматривается в отношении к
объединённой энергосистеме и большой доле непостоянных источников
электроэнергии (см. предыдущие разделы). Наблюдаемость - важнейшая
функция управления системой. Это может рассматриваться как со стороны
центра управления, так и со стороны датчиков, которые сопряжены с
процессами принятия решений, касающихся компонентов системы или её в
целом [9].
■ Реконфигурация сетевой
архитектуры, которая повышает допустимую скорость набора
нагрузки или оптимизируют потери электроэнергии при наличии
распределённой генерации (энергоэффективность). Пример данной разработки
представлен в [8, 9].
Проблемы научного, технологического, коммерческого и социологического
характера
Концепция интеллектуальных сетей обеспечивает системное видение, которое
включает проведение исследований, развитие, проведение испытаний и
анализ обратной связи в отношении применяемых инновационных технологий.
Она направлена на достижение определённых целей, связанных с управлением
сетью, для повышения энергоэффективности на протяжении всей цепочки
создания стоимости, более глубокого внедрения ВИЭ и удовлетворения новых
потребностей, таких как создание гибридных автомобилей с подзарядкой от
электросетей или вовлечение конечного потребителя в управление
энергопотреблением при использовании преимуществ ИКТ. Реализация данной
концепции и ряд указанных задач интеллектуальных энергосистем требуют
появления научных достижений, которые будут способствовать созданию
значимых технологических инноваций. При этом следует напомнить, что
интеллектуальные сети создает возможности для взаимопроникновения
физической инфраструктуры, представляющей собою энергетическую систему,
и цифровой инфраструктуры, представленной ИКТ. Взаимодействие этих двух
дисциплин - источник крупных инноваций. Несмотря на то, что
энергетическая система уже оборудована ИКТ, данные технологии часто
создавались отдельно от энергетической системы (как её дополнительные
уровни), являясь собственностью оператора [10].
В настоящее время стоимость ИКТ относительно невелика, а сами они
глубоко проникли в современное общество. Кроме того, либерализация
энергетического рынка и вынужденная множественность субъектов
стимулируют использование отложенных технологий. Это требует
взаимодействия между различными «объектами интеллектуальных энергосистем»
со встроенными механизмами безопасности, а также между различными
участниками сети.с другой стороны, разница в сроке использования ИКТ и
энергетических инфраструктур обуславливает вопрос о процессе эволюции
всей интегрированной системы, более того, учитывая необходимость
значительных инвестиций для реализации данной концепции, вопрос
технологических рисков, вызванных эволюцией системы, особенно в
отношении ИКТ, приобретет первостепенное значение.
В связи с этим, очевидно, что данные проблемы имеют научный,
технологический, экономический и социологический характер. Их решение
возможно путём установления партнёрского взаимодействия (и
технологических процессов) с вовлечением всех заинтересованных сторон (производители
электроэнергии, системные операторы, поставщики энергетических услуг,
производители электрооборудования и информационно-коммуникационных
технологий, интеграторы решений, университеты и научно-исследовательские
центры, органы по стандартизации, энергетические ассоциации и агентства).
В их число необходимо также включить конечного потребителя, но уже в
качестве активного лица.
Список примеров проблем, которые необходимо решать на уровне
исследования, представлен ниже без претензий на всеохватывающий характер
перечисления [10].
Научные и технологические проблемы
■
Интеграция ВИЭ и управление непостоянным характером
выработки электроэнергии для поддержания баланса глобальной системы и
экономической стабильности, в том числе использование данных источников
энергии для оказания вспомогательных услуг.
■
Интеграция гибридных автомобилей и автомобилей с
подзарядкой от электросетей в энергосистему, различные формы нагрузки
электрической сети и её взаимодействие с энергосистемой (выдача мощности,
потребление, хранение, контроль и обслуживание).
■
Наблюдаемость электрической сети с помощью уменьшенного
количества датчиков необходимой точности или интеллектуальных счётчиков
с учётом ограничений реального времени. Наблюдаемость также включает
обработку данных и управление большими объёмами информации при
динамической двунаправленной связи сеть - интеллектуальный счётчик.
Вопрос наблюдаемости также важен для объединенных передающих
электрических сетей с крупномасштабными источниками непостоянного
производства электроэнергии, а также на стыке между передающими и
распределительными сетями и при функционировании в условиях возрастающей
нестабильности.
■
Развитие и практическое применение «простых» и
экономически эффективных технологий самовосстановления в условиях
распределённой энергетики, в том числе и на низком уровне напряжения.
■
Защитное оборудование с возможностью частых переключений,
позволяющее производить многочисленные переключения в сети для
увеличения её гибкости и уменьшения потерь (повышения
энергоэффективности).
■
Сочетание управления потреблением с новыми типами
потребителей (гибридных автомобили и автомобилей с подзарядкой от
электросетей) или с непостоянным производством (совмещение строений, ВИЭ,
гибридных автомобилей и электрических сетей) в пределах ячейки
распределительных сетей или «умных экогородов». Данный пункт включает в
себя совмещенные модели и средства имитационного моделирования.
■
Осознание взаимозависимости между цифровой (виртуальной) и
электроэнергетической (материальной) инфраструктурами. Данный аспект
также входит в число требований к управлению системой в
условиях её возрастающей сложности и к обеспечению системной
надёжности (включая безопасность в виртуальном пространстве)
при внедрении различных интеллектуальных технологий в
энергосистему.
■
Планирование инвестиций в интеллектуальные энергосистемы в
условиях неопределенности (подходящие модели, стохастические подходы,
управление рисками и т.д.) и эволюция архитектур энергосистем.
Экономические и социологические проблемы
■
Бизнес-модели распределённого и эффективного управления
спросом, в том числе механизмы прироста оценочной стоимости и
распределения стоимости, с учётом распределения ответственности по цепи
создания стоимости в энергетике.
■
Уровни внедрения технологий в промышленной отрасли с
традиционно медленной эволюцией и процессом перехода.
■
Допустимость участия клиентов с учётом возможного
присвоения ими технологий управления нагрузкой и интеллектуальных
счётчиков, а также с учётом их «положительного» поведения при участии в
управлении спросом.
■
Глобальные оптимальные решения относительно новых форм
использования энергии.
Процессы взаимодействия, стандартизации и регулирования в
интеллектуальных энергосистемах
Как было упомянуто выше, в интеллектуальных энергосистемах сочетаются
различные технологии и, соответственно, различные субъекты из нескольких
отраслей производства и исследовательской деятельности. Но так как «цепочка»
создания стоимости одинакова (системный подход), необходимо определить
основные принципы взаимодействия между данными субъектами. Кроме того,
появление новых технологий на стыке NTE(новые
энергетические технологии) и NICT(новые
информационные и коммуникационные технологии) требует принятия
стандартов, которые также должны быть установлены в сотрудничестве с
органами по стандартизации и подразделяются на две области -
электрические сети и ИКТ. Это важно для облегчения взаимодействия
оборудования в окружении, характеризуемом множественностью субъектов. В
связи с этим, стандартизация играет важнейшую роль. Некоторые технологии
уже доступны, другие находятся на стадии разработки, однако большинство
ещё предстоит изобрести. Необходимо поддерживать процессы возникновения
концепций, подобных интеллектуальным энергосистемам, а именно,
перспективного видения, научно-исследовательских работ, демонстраций,
учёта обратной связи и размещения/внедрения. Основные ограничивающие
факторы таковы:
■
Системное видение интеллектуальных энергосистем: влияние
на весь электроэнергетический сектор.
■
Множественность субъектов в двух зонах с различными
характеристиками (тип участников в регулируемых и нерегулируемых
областях) и разными временными ограничениями (срок эксплуатации
соответствующего оборудования и ожидаемый доход по возврату инвестиций).
■
Размер требуемого на всех этапах инвестирования (научно-исследовательские
работы, демонстрация, развёртывание) при ненадёжности возврата
инвестиций.
■
Неопределённость в отношении развития промышленности с
учётом развития национальных экономик (кризис или процветание), эволюция
нормативного стимулирования, в частности, в отношении к ВИЭ, тенденции
инвестирования, приемлемые бизнес-модели и др.
■ Роль потребителя, особенно в вопросе соответствия, для оказания
поддержки применению технологий интеллектуальных энергосистем.
В связи с этим, стандартизация в сочетании со стимулирующим
регулированием, которая позволяет участникам лучше видеть развитие
интеллектуальных сетей и помогает установить привлекательные принципы
инвестирования, положительно отразится на появлении крупных инноваций.
Стандартизация также является гарантией причастности и сотрудничества
заинтересованных лиц в процессах исследования, развития, демонстрации и
внедрения интеллектуальных энергосистем.
Подготовка квалифицированных специалистов для развития
интеллектуальных энергосистем
Вышеуказанные проблемы, сложные по своей природе, соответствуют запросам
двадцать первого века. Над их решением, осознавая тесную связь между
энергией и интеллектом, работает молодое поколение инженеров и
технических специалистов, рождение которых пришлось на время появления
ИКТ. Интеллектуальные сети нуждаются в специалистах междисциплинарного
профиля, а также в накоплении опыта, так как будущую «энергосистему с
более высоким интеллектом» необходимо строить на основе существующих
энергетических инфраструктур (процесс эволюции). Таким образом,
существующие программы подготовки инженеров-энергетиков должны включать
в себя изучение ИКТ, и наоборот. В настоящее время, включение в учебную
программу дисциплин, связанных с изучением интеллектуальных сетей,
находится на начальном этапе. Потребность в специалистах растёт, и
необходимо, чтобы внедрение новых (или обновлённых) программ подготовки
стало всеобщим. Инвестирование в оборудование для энергосистемы должно
сопровождаться глубокой модернизацией, а также попытками привлечения
молодых инженеров и технических специалистов, обладающих необходимыми
навыками и мотивацией для создания интеллектуальных сетей будущего
[4, 5].
Заключение
Таким образом, мы отметили как институциональное, так и техническое
усложнение, связанное с различными параметрами, например: увеличение
доли нестабильных источников энергии, включение конечного, отныне «сверхактивного»,
пользователя в управление энергопотреблением, вопросы совместимости,
требование сохранения и даже улучшения качества электроснабжения,
необходимость достижения энергоэффективности и целей контроля пиковой
потребляемой мощности и т.д. Практическая реализация концепции
интеллектуальных энергосистем, таким образом, станет стимулом для
значительной эволюции всей энергетической цепочки.
В рамках данной концепции будут предложены технические принципы
широкомасштабной интеграции непостоянных источников энергии, повышения
энергоэффективности и улучшения функционирования сети при осуществлении
контроля над выполнением экологических задач и обеспечении лучшей защиты
и качества электроснабжения при наилучших экономических условиях.
Инфраструктура интеллектуальных энергосистем будет играть более значимую
роль, чем просто управление электроэнергетической системой:
■
функции инфраструктуры позволяют оказывать новые
энергетические услуги: разумное управление энергопотреблением зданий и
обеспечение энергоэффективности, услуги мониторинга и безопасности а
также иные услуги, связанные с домашней автоматизацией;
■
инфраструктура может быть объединена с другими
потребностями: развитие совместных комплексных интеллектуальных сетей (электричество,
газ, вода) и коммуникационных сетей посредством создания сети с самой
плотной структурой
Наконец, как любое техническое достижение, наличие интеллектуальных
сетейбудет способствовать технологическому и общественному развитию,
положительные результаты которого в настоящий момент оценить трудно:
передача технологий в другие сектора (домашняя автоматизация и бытовые
электроприборы, логистика, многопоточность, области применения
искусственного интеллекта), катализ поведенческих и социальных эволюций
(способствование бережному использованию энергии, другими удобствами,
поддержка моделей ,взаимодействия и объединения ресурсов).
Данный потенциал интеллектуальных сетей необходимо сохранить посредством
сбалансированного рассмотрения ставок и действующих сторон в сочетании с
эффективным и прагматичным управлениемпереходами с точки зрения
экономики и промышленности. Помимо этого, интеллектуальные сети не
должны терять из вида общечеловеческие, социальные и экологические цели,
которые характеризуют пользование энергии в целом и применение
электричества в частности, а такжепотребности во взаимодействии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
N. Hadjsaid, J-F. Canard,
F. Dumas. Dispersed Generation impact on
Distribution Systems// IEEE Computer Application of Power Magazin. April,
1999. pp. 23-28.
2.
T. Tran-Quoc, £ Monnot, G.
Rami, A. Almeida, C. Kieny, N. Hadjsaid.
Intelligent voltage control in distribution network with distributed
generation. Conference internationale CIRED. Vienna. Austria. May,
2007.
3.
N. Hadjsaid, R. Caire, B.
Raison. Decentralized Operating Modes for
Electrical Distribution Systems with Distributed Energy Resources // IEEE
PES GM'2009. July 26 - 30, 2009. Alberta (Canada).
4.
N. Hadjsaid, J. CI.
Sabonnadiere, J. P. Angelier. Les
reseauxelectriques de distribution: du patrimoineaI'innovation// REE
journal. January 2010. №1. pp. 81 - 95.
5.
N. Hadjsaid, J. CI.
Sabonnadiere, J. P. Angelier. Les
systemeselectriques de I'aveniriesSmartGrids// REE journal. January
2010. №1. pp. 96-110.
6.
N. Hadjsaid, L. Le-Thanh,
R. Caire, B. Raison, F. Blache, B. Stahl, R. Gustavsson.
Integrated ICT framework for Distribution Network with Decentralized Energy
Resources: Prototype, Design and Development // IEEE PES GM'2010. Mineapolis.
MN. USA. July 24-29, 2010.
7.
N. Hadjsaid.
La distribution de I'energieelectrique en presence de la production
decentralisee// Edition Hermes, 2010.
8.
N. Hadjsaid.
Les reseauxelectriques de distribution: de la production decentralisee aux
SmartGrids I I Edition Hermes, 2010.
9.
N. Hadjsaid, J. CI.
Sabonnadiere. Electrical Distribution
Networks // ISTE-John Wiley,
2011.
10.
J. CI. Sabonnadiere, N.
Hadjsaid.SmartGrids: les
reseauxelectriquesintelligents// Hermes,
2012.
11.
www.coreso.eu
12.
http: //
www.eurobserv-er.org
13.
http:
//
www.smartgrids.eu
