Интеллектуальная электроэнергетическая система с активно-адаптивной сетью

В последнее десятилетие во многих странах мира разрабатывается направление инновационного развития электроэнергетики, получившее название Smart Grid. На основе анализа зарубежных публикаций в [1] сделан вывод о том, что однозначной и общепринятой интерпретации этого термина пока не существует. Так, государственные структуры рассматривают Smart Grid как идеологию национальных программ развития электроэнергетики, компании-производители оборудования и технологий — как основу оптимизации бизнеса, энергетические компании — как базу для обеспечения инновационной модернизации своей деятельности. Имеет место также точка зрения на Smart Grid как на совокупность организационных изменений, новой модели процессов управления, решений в области информационных технологий, а также инноваций в сфере АСУ ТП и диспетчерского управления в электроэнергетике. Все перечисленные и возможно другие толкования разных структур и компаний относительно Smart Grid являются следствием эволюционного развития электроэнергетических систем (ЭЭС). В развитии электроэнергетики промышленно развитых стран можно выделить три характерных этапа с очень размытыми по времени границами.

Первый этап развития относится к первой половине прошлого века, когда электрическая энергия вследствие целого ряда ее преимуществ перед другими видами энергии стала ускоренными темпами завоевывать ведущие позиции в технологических процессах многих отраслей экономики стран. В связи с возрастающими потребностями в электрической энергии стояла задача строительства мощных для того времени электростанций с возможностью передачи электроэнергии на большие расстояния. В СССР на этом этапе также имели место заводские и фабричные источники электроэнергии и межколхозные ГЭС небольшой мощности.

Второй этап развития характеризовался тем, что наряду с совершенствованием технологий выработки, преобразования и передачи электрической энергии стали формироваться современные ЭЭС. По времени этот этап условно относится ко второй половине прошлого века, когда были созданы мощные электроэнергетические объединения. На этом этапе выявилась потребность в рассмотрении сложных научно-технических проблем системного характера, без решения которых невозможно было обеспечить нормальное функционирование ЭЭС. В результате получили развитие исследования по режимам работы систем и переходным процессам в них, по теории статической и динамической устойчивости, по теории релейной защиты и автоматики и ряд других теорий.

На этом этапе в СССР преобладал основополагающий принцип развития электроэнергетики - концентрация выработки электроэнергии на крупных электростанциях при централизованном электроснабжении и управлении режимами работы объединенной энергосистемы. Выполнению принципа во многом способствовала существующая государственная (общенародная) собственность на средства производства.

С конца прошлого века в России осуществляется переход к рыночным отношениям, следствием которого стали изменения некоторых положений и принципов в развитии электроэнергетики:

· хозяйственное разделение участков единого технологического процесса генерации, передачи, распределения и потребления электроэнергии;

· разделение интересов образуемых субъектов рынка по поддержанию надежности работы энергетических объектов и получению прибыли, что объективно усложняет решение задач обеспечения надежного энергоснабжения многочисленных потребителей электро- и теплоэнергией;

· постоянное давление рынка на экономию издержек, стремление к снижению резервов и запасов всех видов, полноте использования энергетического оборудования; коммерческие требования к режиму работы ЭЭС и ограничения на его изменения, значительно снижающие управляемость системой.

В настоящее время состояние электроэнергетики России характеризуется следующим:

· установилась тенденция к увеличению спроса на электроэнергию при усиливающейся политике на энергосбережение;

· возросла плотность суточного и годового графиков нагрузки элементов системы, вследствие чего имеет место напряженный режим работы оборудования;

· в структуре энергообъединений узлы становятся все более электрически жестко связанными, что приводит к росту токов коротких замыканий;

· в структуре ЭЭС содержится значительная доля оборудования и аппаратуры с большим сроком эксплуатации;

· работа операторов системы стала более напряженной из-за короткого промежутка времени, отводимого на решение непредвиденных ситуаций;

· возросла значимость компьютеризации процессов управления в функционировании ЭЭС;

· многократно возросли информационные потоки технологической и управленческой направленности;

· наблюдается тенденция к росту числа аварийных ситуаций на энергообъектах с возможностью их перерастания в крупные системные аварии.

Изменения и отмеченные факторы в состоянии электроэнергетики России способствовали началу третьего этапа ее развития, в ходе которого речь идет о создании энергосистем с активно-адаптивной сетью (ЭСААС) - технических систем, отличающихся большим числом датчиков систем сбора, элементов и обработки информации о состоянии оборудования, наличием исполнительных органов, системой управления в реальном масштабе времени, системой оценки текущей и прогнозирования будущей ситуации, быстродействием управляющей системы и информационного обмена [2].

Особенностью такой электрической сети является резервированная структура, позволяющая с помощью гибкого управления потоками энергии избегать появления «узких мест» и опасных неустойчивых режимов работы. Предполагается, что оперативное управление конфигурацией сети и потоками энергии позволит повысить передающую способность сетей, смягчить проблемы возникновения каскадных аварий, обеспечить надежны электрические связи энергоисточников с потребителями энергии и, в конечном счете, повысить надежность электроснабжения потребителей и экономичность работы сети.

Таким образом, на современном этапе развития ЭЭС наряду с вопросами совершенствования технологий преобразования и передачи электроэнергии актуальны вопросы управления такими свойствами систем, как их экономичность, надежность безопасность и живучесть. Каждое из перечисленных свойств рассматривалось и ранее, на предыдущих этапах развития ЭЭС, однако нередко в отдельности, без взаимосвязи между собой. В настоящее время рациональное решение задач перспективного развития, организации эксплуатации и технического обслуживания, оперативно-технологического управления возможно при комплексном учете и рассмотрении перечисленных свойств, определяющих качество функционирования энергосистем [3].

Учитывая изложенное, концепцию Smart Grid и ее практическое воплощение в виде ЭСААС можно интерпретировать как создание энергосистем с повышенным качеством функционирования. Ожидаемые при этом некоторые изменения в подходах и анализу и управлению электрической сетью отражены в таблице.

В таблице следует обратить внимание на особую роль, возлагаемую на электрическую сеть. Помимо традиционной ее «обязанности» по обеспечении: надежной электрической связи для передачи энергии от энергоисточников к узлам ее потребления ставится задача предотвращать появление «узких мест» и опасных неустойчивых режимов в системе. Достигается это соответствующим уровнем резервирования в структуре сети, наличием устройств с силовой электроникой, осуществляющих оптимизацию потоков мощности и снижение потерь в сетях, переходом к энергоинформационной системе — главному средству оптимизации управления [2].

Номер п\п	Существующие подходы	Изменения при создании ЭСААС
1	Электрическая сеть рассматривается как система передачи электроэнергии от источников генерации к потребителям	Электрическая сеть рассматривается как основной объект формирования технологического базиса для создания новых функциональных свойств энергосистемы
2	Управление электрической сетью при авариях по факту возмущения	Управление электрической сетью по принципу предупреждения аварийных повреждений элементов сети
3	Централизованное диспетчерское управление режимами работы	Отказ от жесткого диспетчерского регулирования в пользу координации работы всех составляющих сети
4	Отдельные информационные каналы связи	Превращение информационных связей в основополагающий принцип для перехода к энергоинформационной системе — главному средству оптимизации управления
5	Плановые и внеплановые ремонты оборудования	Переход на технологии ремонта и обслуживания по состоянию путем развития систем диагностики состояния оборудования
6	Договоры потребителей на присоединенную мощность и поставки электроэнергии	Потребителю отводится роль активного участника процесса в части самостоятельного формулирования условий объема получаемой энергии и качества энергетических услуг
7	Наличие посредников между ЕНЭС и конечным потребителем	Расширение рынков мощности и энергии вплоть до включения в их деятельность конечного потребителя

Создание в России интеллектуальной ЭЭС с активно-адаптивной сетью при существующем ее состоянии сопряжено с определенными тормозящими факторами, которые потребуется устранить, чтобы не допустить негативных последствий. Например, для придания электрической сети энергоинформационных свойств необходимо появление в ее структуре многих элементов, обеспечивающих ее активно-адаптивные характеристики. Однако каждый вводимый в структуру сети элемент не застрахован от отказов и ложных действий. С другой стороны, известна общая закономерность для сложных технических систем — эмергентность — несводимость свойств системы к свойствам отдельных ее элементов, т.е. выводы о поведении системы в целом на основе суждений о поведении отдельных ее элементов могут быть ошибочными. Поэтому при переходе к энергоинформационной системе основным критерием принимаемых решений является выполнение основной задачи — обеспечение требуемого уровня надежности электроснабжения подсоединенных к сети потребителей с учетом отказов не только основного оборудования, но и возможных неисправностей аппаратуры в информационных каналах связи, систем автоматики и релейной защиты.

В этой связи показательными являются результаты выполненных в [4] исследований по оценке фактической эксплуатационной надежности ячеек элегазовых выключателей в открытых распределительных устройствах 110-750 кВ электроподстанций ОАО «ФСК ЕЭС», подтверждающие необходимость применения комплексного подхода. Статистически установлено, что собственно выключатель с приводом незначительно влияет на результирующие простои ячеек РУ — доля составляет около 10%. Примерно 70% случаев ячейка с выключателем простаивает из-за повреждений измерительных трансформаторов и разъединителей, а также из-за вторичных цепей. Замечено, что значительное ухудшение надежности привнесли современные микропроцессорные устройства контроля и управления, включая АСУ ТП. Чрезмерное увлечение их информационными масштабами и неоправданное дублирование их функций привели к тому, что эти системы стали избыточно громоздкими и все менее надежными. При этом стоимость рассматриваемых систем становится сравнимой с затратами на электротехническое оборудование.

В то же время качественно выполненная энергоинформационная система позволяет перейти к управлению по принцип) предупреждения аварийных ситуаций в электрической сети (п. 2 таблицы), что приводит к повышению надежности электроснабжения потребителей и соответственно к уменьшению ущерба для объектов электроэнергетики как от аварий, так и от нарушений электроснабжения у потребителей.

Развитая энергоинформационная система позволяет существенно ослабить влияние посредников на условия поставок электроэнергии потребителям (п. 7 таблицы), в первую очередь на значение тарифа на электроэнергию (исключается диктат посредников в этом вопросе).

Приведенный пример наглядно демонстрирует необходимость комплексной оценки принимаемых решений и научного их обоснования.

В[1] при обсуждении вопроса реализации концепции Smart Grid в России отмечают такие сдерживающие факторы, как уровень развития информационных технологий, силовой электроники, альтернативных источников энергии, нормативно-технической базы и других, которые в совокупности отражают технологический разрыв между состоянием отечественных и зарубежных энергосистем. Поэтому в настоящее время можно говорить лишь о точечной реализации отдельных компонентов рассматриваемой концепции. Делать это надо параллельно с провозглашенной политикой на реконструкцию и модернизацию электрических сетей, а также со структурным упорядочением субъектов энергетического рынка и их полномочий.

В первую очередь, для планирования работ по достижению нужного качества функционирования электрической сети потребуется выполнить анализ существующего уровня повреждаемости электросетевых объектов и связанных с этим случаев нарушений электроснабжения подсоединенных к сети узлов нагрузок. Это крайне необходимо, учитывая наличие в сетях значительной доли отработавшего свой ресурс оборудования. Выявление основных причин нарушений в работе электрической сети и последствий от них позволит установить «слабые места» и составить план их устранения в зависимости от располагаемых средств.

Анализ повреждаемости сети необходим для оценки остаточного ресурса работы оборудования, планирования очередности проведения модернизации объектов, рациональной организации технического обслуживания и ремонта электросетевых объектов, обоснования потребности в резервах в структуре сети и других действий [5].

Для решения отмеченных и других задач необходимо располагать базой данных о повреждаемости электросетевых объектов на достаточно глубокую ретроспективу для обеспечения репрезентативности выборок. При этом важно обеспечить достоверность статистических данных о повреждаемости объектов и доступность к ним (существует коммерческая тайна) организаций, в сферу деятельности которых входят оценки свойств, характеризующих качество функционирования энергосистем. Речь идет о недопустимости искажений причин и размера последствий в статистической информации о повреждаемости, а также о «невключении» части сведений в базу данных. Необходимо понимание того, что неполная и недостоверная информация о случаях повреждений в электрической сети приводит к некачественным решениям при разработке мер и мероприятий по снижению частоты повреждений и тяжести последствий от них. Соответственно, не могут быть обоснованными решения по обеспечению нужных уровней надежности, безопасности, экономичности и живучести электрической сети и элсктросетевых объектов при их проектировании, эксплуатации и техническом обслуживании.

Отмеченным требованиям должны соответствовать принимаемые правовые, управленческие и нормативно-технические документы, что не всегда выполняется. В качестве примера можно привести утвержденные постановлением Правительства Российской Федерации от 28 октября 2009 г. № 846 «Правила расследования причин аварий в электроэнергетике» (далее Правила) и принятые на их основе приказы Минэнерго РФ от 2 марта 2010 г. №№ 90, 91 и 92 о формах акта расследования и отчете об авариях и передаче оперативной информации об авариях в электроэнергетике. Не останавливаясь детально на ряде имеющихся в указанных документах несоответствий, рассмотрим цели расследований и формирование базы данных о повреждаемости для решения практических задач развития, эксплуатации и управления. В п.30 Правил область использования материалов расследований аварий после проведения анализа определена двумя направлениями:

· для планирования режимов работы объектов электроэнергетики и(или) энергопринимающих установок;

· для разработки мер по обеспечению надежного и безопасного функционирования указанных объектов (установок), в том числе в составе энергосистемы.

Отмеченные направления в большей мере относятся к сфере деятельности оперативно-диспетчерского управления. При этом Правила ориентированы на расследование причин аварий. Можно показать, что без статистических данных о числовых значениях последствий аварий невозможно решать задачи, в которых требуется оперировать с показателями безопасности функционирования объектов (установок).

Информация о повреждаемости в работе электрической сети должна обеспечивать решение ряда задач в практике проектирования и эксплуатации объектов, например:

· экономические аспекты надежности электроснабжения подсоединенных потребителей;

· страхование ответственности за нарушение договорных условий по надежности электроснабжения;

· создание аварийного запаса материалов в электрической сети для ремонта воздушных линий электропередачи;

· выявление территориальных зон повышенной опасности для работы объектов электрической сети;

· разработка нормативных показателей электроснабжения разных категорий потребителей;

· выявление «узких мест» в электрической сети для обоснования мероприятий по их устранению и др.

Как видно, формируемые Правилами статистические данные не приспособлены для решения многих задач для проектирования и эксплуатации объектов.

При решении практических задач кроме наличия полной и достоверной информации о повреждаемости и других характеристиках работы анализируемого объекта важно располагать методиками, позволяющими обрабатывать массивы информации с получением численных значений показателей свойств, определяющих качество функционирования энергосистем.

Следует признать, что несмотря на наличие множества статей и монографий по надежности и промышленной безопасности энергетических объектов и систем сохраняется потребность в разработке соответствующих инженерных методик расчета. Ранее в условиях плановой экономики такие расчеты, как правило, не требовались и обосновывающие материалы при проектировании и развитии объектов ограничивались экономическим сопоставлением вариантов по приведенным затратам. При переходе к рыночным отношениям наряду с технологическими вопросами возникла потребность в рассмотрении вопросов рациональной организации управления для достижения нужного качества функционирования.

В последнее время произошли изменения в составе проектной документации для системообразующих подстанций и линий электропередачи. Так, в качестве обязательного раздела потребовались разработки по мероприятиям гражданской обороны и предупреждению чрезвычайных ситуаций. В связи с пожарами на ПС и особенно после крупной аварии на ПС «Чагино» 500 кВ потребовалась разработка декларации пожарной безопасности с проведением расчетов по оценке пожарных рисков. Совсем недавно в составе проектной документации для узловых ПС появилось требование представления раздела с декларацией по промышленной безопасности как объекта повышенной опасности из-за использования в технологическом процессе в большом объеме взрывопожароопасного вещества — трансформаторного масла. Здесь также требуется выполнение расчетов для оценки промышленных рисков от аварий с тяжелыми последствиями.

Оценки надежности принимаемых технических решений пока не нашли обязательного применения в практике проектирования электрической сети, хотя качественные требования по надежности электроснабжения потребителей содержатся в директивных документах разных уровней управления. В этом вопросе сказывается отсутствие приемлемых методик расчета численных показателей надежности и нормативов по надежности электроснабжения.

Для разработки нормативно-методической базы необходимы усилия специалистов, в первую очередь прикладной отраслевой науки. В ряде зарубежных публикаций отмечается необходимость расширения исследовательских программ, направленных на изучение инструментов и технологий обеспечения надежности электроснабжения с привлечением наиболее компетентных специалистов в этой области и улучшение своевременного внедрения в практику результатов исследований.

В отечественной практике имеет место противоположная тенденция — ослабление влияния отраслевой науки на решение обозначенных выше вопросов. В исторически ведущих энергетических организациях произошло ослабление их научного потенциала и, как следствие, отсутствие научной поддержки при выполнении основных по профилю работ с принятием обоснованных решений.

Следует также отметить образовавшийся в организациях кадровый перекос в сторону менеджеров, финансистов и юристов при относительном снижении численности и квалификации инженерно-технического состава. Существенно снизился престиж инженера и ученого на производстве. В учебных заведениях по подготовке и переподготовке кадров для электроэнергетики требуется корректировка учебных программ в сторону повышения качества образования с учетом современных требований и выдвигаемых задач. Без устранения возникших за последнее время отмеченных сдерживающих факторов в развитии и функционировании отечественной электроэнергетики трудно рассчитывать на практическое воплощение концепции инновационного развития Smart Grid в России.

Список литературы

1.Кобец Б.Б., Волкова И. Интеллектуальные сети. - Энергорынок. Профессиональный журнал, 2010, март.

2.Алексеев Б.А. Электрические сети противостоят авариям. - Энергоэксперт, 2009, № 5.

3.Скопинцев В.А. Качество электроэнергетических систем: надежность, безопасность, экономичность, живучесть. - М.: Энергоатомиздат, 2009.

4.Абдурахманов A.M., Мисриханов М.Ш., Федоров В.Е., Шунтов А.В. О надежности ячеек элегазовых выключателей 110—750 кВ подстанций. — Материалы Международ, науч. семинара «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики», Ялта (АР Крым. Украина), 13—19 сентября 2010 г.

5.Ситников В.Ф., Скопинцев В.А. Вероятностно-статисти- ческий подход к оценке ресурсов электросетевого оборудования в процессе эксплуатации. - Электричество. 2007, №11.

6.РД 03—418—01. Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов. — М.: Гос- гортехнадзор России, 2001.

7.ГОСТ Р 51901—2002. Управление надежностью. Анализ риска технологических систем. — М.: Госстандарт РФ, 2002.