Информационный портал  "TRANSFORMаторы"

 

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ: КОНЦЕПЦИЯ, СОСТОЯНИЕ, ПЕРСПЕКТИВЫ

Н.И. ВОРОПАЙ
(Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН)

 

 

Рассматривается "умная" энергосистема как перспектива будущей электроэнергетики. Современные возможности позволяют двигаться в направлении Smart Grid. Этот процесс будет постепенным, поскольку требует значительных средств. Имеющиеся оценки показывают потенциальную эффективность реализации этого направления развития электроэнергетики.

ТРАКТОВКИ КОНЦЕПЦИИ SMART GRID

В последнее десятилетие за рубежом активно обсуждается и развивается концепция Smart Grid (альтернативные термины — Intelli-Grid, Future Grid и др.), что в переводе на русский язык означает "умная" или "интеллектуальная энергосистема". В США и Европейском Союзе концепция Smart Grid рассматривается как технологическая концепция электроэнергетики будущего [1-4 и др.]. В России обсуждение проблемы активизировалось несколько позже [5, 6 и др.], предлагается конкретизация этого понятия как "интеллектуальной энергосистемы с активно-адаптивной сетью" [7].

Необходимо отметить, что существует различное понимание существа концепции интеллектуальной электроэнергетической системы. Часто это понятие связывают с интеграцией в электроэнергетические системы (ЭЭС) возобновляемых источников энергии на основе современных информационных, телекоммуникационных и Интернет-технологий [8 и др.]. Другие трактовки данного направления делают акцент на распределительных электрических сетях, включающих возобновляемые источники энергии с формированием активных и адаптивных свойств распределительных сетей за счет развития распределенной системы адаптивной автоматики, широкого использования компьютерных технологий и современных систем управления [9-11 и др.]. Концепция Smart Grid рассматривается также применительно к основной (передающей) электрической сети с использованием систем широкомасштабного мониторинга режимов (Wide Area Monitoring System — WAMS) и управления ими (Wide Area Control System — WACS) на основе принципов адаптивного управления, устройств измерения комплексных величин PMU (Phasor Measurement Unit),FACTS (Flecsible Alternative Current Transmission System), интеллектуальных компьютерных методов [4, 12, 13 и др.]. Многие авторы придают большое значение обеспечению активного участия потребителей в управлении собственным электропотреблением путем применения "умных" счетчиков электро­энергии и регистраторов нагрузки, использования современных интеллектуальных средств обработки и визуализации информации для потребителя, формирования цены на электроэнергию в реальном времени и т.п. [4,9, 11 и др.].

В США, Европейском Союзе, Канаде, Китае концепция Smart Grid является по сути государственной политикой технологического развития электроэнергетики будущего, поэтому рассмотрим подходы в некоторых странах более подробно.

ОПЫТ НЕКОТОРЫХ СТРАН

В США в 2003 г. концепция Smart Grid была объявлена как национальная стратегия развития электроэнергетики страны в XXI веке [1].

Согласно этой концепции "интеллектуальная энергосистема" должна обеспечивать:

  • использование всех возможностей производства электроэнергии;
  • оптимизацию инвестиций и текущих издержек на обслуживание и управление;
  • стимулирование развития альтернативных, прежде всего возобновляемых источников электроэнергии;
  • стимулирование развития рынка электроэнергии;
  • повышение качества электроэнергии и надежности электроснабжения потребителей;
  • активизацию участия потребителей в управлении собственным электропотреблением;
  • способность системы противостоять возмущениям;
  • способность системы к самовосстановлению питания потребителей.

В октябре 2009 г. Президент США Барак Обама объявил программу по развитию "интеллектуальных энергосистем", которая включает:

  • повышение эффективности транспорта и распределения электроэнергии;
  • стимулирование потребителей к экономии электроэнергии и сокращению затрат на электроэнергию;
  • интеграцию различных "интеллектуальных" компонентов в "интеллектуальную энергосистему";
  • поддержку развития технологий для "интеллектуальных энергосистем".

По оценкам [4] реализация в США концепции Smart Grid может дать:

  • сокращение ущербов от аварий в ЭЭС порядка 49 млрд долларов ежегодно;
  • сокращение необходимых инвестиции в инфраструктуру в электроэнергетике около 10 млрд долларов в последующие 20 лет;
  • возврат в экономику США около 5-7 млрд долларов до 2015 г. и примерно 15-20 млрд долларов до 2020 г. за счет управления нагрузкой потребителей и снижения ее уровня.

В Европейском Союзе принятая технологическая платформа Smart Grid включает [3]:

  • гибкое, оптимальное и стратегически рациональное развитие ЭЭС и управление их функционированием;
  • гибкое управление электропотреблением, активное со стороны потребителя;
  • адресное обеспечение для конкретных электроприемников качества электроэнергии и надежности электроснабжения;
  • координацию локальных систем управления и полную интеграцию возобновляемых источников электроэнергии и распределенной генерации в ЭЭС;
  • экстенсивное развитие малой распределенной генерации, подсоединяемой вблизи потребителей;
  • гармонизацию законодательства для обеспечения трансграничной торговли электроэнергией и электроэнергетическими услугами.

Особенности технологической платформы Smart Grid в Европейском Союзе характеризуют следующие "не" [3]:

  • это не только и не столько академический проект;
  • это не централизованная программа для европейских ЭЭС;
  • она относится не только к распределительным электрическим сетям;
  • она связана не только с трансъевропейской электрической сетью;
  • это не только инфраструктурный проект с оценкой инвестиций и управлением рисками;
  • это не связано с торговлей выбросами и с надежностью топливоснабжения;
  • это не детальные исследовательские предложения, а скорее совокупность исследовательских тем и направлений.

В результате реализации технологической платформы Smart Grid европейская электрическая сеть должна приобрести следующие черты:

  • гибкость с точки зрения отклика на изменения потребностей потребителей и возникающие проблемы с электроснабжением;
  • доступность электроэнергии для потребителей, в частности, от возобновляемых источников электроэнергии и высокоэффективной локальной генерации с нулевыми или низкими выбросами;
  • надежность электроснабжения и качество электроэнергии в компьютерную эру при обеспечении невосприимчивости к опасностям и неопределенностям;
  • экономичность посредством внедрения инноваций, эффективного управления, рационального сочетания конкуренции и регулирования.

В Китае концепция "умной энергосистемы" развивается в основном применительно к основной структуре ЭЭС — крупным электростанциям и передающей электрической сети. Планируется интенсивное развитие систем широкомасштабного мониторинга режимов (WAMS) и управления режимами (WACS). Для этого намечается установить устройства PMU на всех электростанциях мощностью более 300 МВт и на всех подстанциях 500 кВ и выше [14].

В России анонсирована необходимость организации работ по развитию электроэнергетики в направлении создания "умной энергосистемы", получившей название "интеллектуальная энергосистема с активно-адаптивной сетью" [7], и начаты соответствующие исследования. Основное внимание в этой программе отведено новым электросетевым технологиям — использованию устройств PMU, FACTS, накопителей электроэнергии и др.

Необходимо отметить, что реализация концепции Smart Grid осуществляется не на пустом месте: современные ЭЭС уже сейчас имеют некоторые элементы "умной энергосистемы". Достаточно сказать, что одна из целей концепции Smart Grid в США — обеспечение способности системы противостоять возмущениям — эффективно реализуется глубоко эшелонированной системой противоаварийного управления в ЕЭС России. Одним из ключевых моментов активизации работ по Smart Grid в настоящее время является появление новых технологий и устройств, обеспечивающих радикальное повышение эффективности предлагаемых решений по обеспечению высокой надежности и управляемости ЭЭС. Кроме того, парадигма Smart Grid ориентирована на существенную активацию участия потребителей в управлении собственным электропотреблением.

КОНЦЕПЦИЯ "ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ"

С учетом имеющихся представлений о Smart Grid можно сформулировать следую­щее понимание сути "умной" или "интеллектуальной энергосистемы" [15, 16] применительно к ее составляющим:

  • генерации — использование современных высокоинтеллектуальных средств контроля и управления, интеграции в ЭЭС источников возобновляемой энергии, распределенной генерации и накопителей электроэнергии с помощью, в том числе, Интернет-технологий с целью повышения надежности и экономичности производства электроэнергии и ее качества;
  • передающей электрической сети — широкомасштабный мониторинг режимов и управление ими с использованием новых средств и технологий (FACTS, PMU, искусственный интеллект и др.) с целью обеспечения надежности передачи электроэнергии и управляемости электрической сети;
  • подстанциям — автоматизация подстанций, построенных с использованием современного электротехнического оборудования и оснащенных современными средствами и системами диагностики, мониторинга и управления на основе информационных и компьютерных технологий для обеспечения надежности и управляемости подстанций;
  • распределительной электрической сети — радикальное повышение ее управляемости и надежности внедрением распределенных систем автоматики и защиты на современной микропроцессорной основе с использованием новых информационных, компьютерных и Интернет-технологий;
  • потребителям — оснащение их высокоинтеллектуальными системами контроля и учета электроэнергии, регулирования электропотребления и управления нагрузкой, в том числе в аварийных ситуациях при существенном повышении активности потребителей в управлении собственным электропотреблением.

Интеллектуализация ЭЭС может дать следующие выгоды:

  • интеграция управления режимами ЭЭС и тем самым повышение его эффективности за счет: а) сетевой (распределенной) координации мониторинга и управления распределенными техническими средствами; б) усиления координации планирования режимов, оперативного и автоматического управления ими;
  • существенное усиление роли управления режимами on-line — оперативного и автоматического управления;
  • радикальное повышение управляемости ЭЭС и за счет этого эффективного обеспечения устойчивости и живучести системы;
  • повышение степени использования пропускных способностей связей электрической сети и возможности снижения нормируемых запасов пропускных способностей;
  • сокращение необходимости ввода новой генерации за счет более эффективного использования электрической сети и активности потребителей.

СИСТЕМА МОНИТОРИНГА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ И УПРАВЛЕНИЯ ИМИ

Современные возможности измерения и управления [17] позволяют на новой основе и с существенно большей эффективностью построить один из важнейших этапов управления режимами ЭЭС — оперативное и противоаварийное управление ими. Временная последовательность отдельных этапов мониторинга и прогнозирования режимов ЭЭС и управления ими показана на рис. 1.

По сути эта совокупность этапов представляет собой комплексную систему, обеспечивающую надежность, живучесть и управляемость современных ЭЭС, при этом с точки зрения эффективности решения этой комплексной проблемы актуальной задачей является существенное повышение адаптивности управления, расширение и углубление координации этапов, средств и систем управления режимами.

В состав блоков мониторинга и прогнозирования нормальных, предаварийных и послеаварийных режимов ЭЭС в соответствии с рис. 1 входят следующие задачи [15]:

  • оценка состояния системы;
  • прогнозирование параметров предстоящего режима; оно необходимо в связи с тем, что оценка состояния дает текущую оценку режима с определенным запаздыванием (рис. 1), в то время как для задач мониторинга и управления требуется некоторое упреждение оценки состояния системы ("управлять — значит предвидеть"), при этом для этих двух блоков задач упреждение должно быть различным;
  • оценка слабых мест в системе в предстоящем режиме;
  • оценка пропускных способностей связей в предстоящем режиме, прежде всего в слабых сечениях; она нужна для эффективного использования запасов в оперативном режиме и при автоматическом управлении путем соответствующих управляющих воздействий;
  • визуализация предстоящего режима;
  • определение показателей и критериев перехода из нормального в предаварийный режим и обратно, а также из послеаварийного режима в нормальный. Перечисленные задачи имеют определенную специфику для нормальных режимов, с одной стороны, и предаварийных и послеаварийных режимов — с другой. В предаварийном и послеаварийном (при восстановлении системы) режимах требуются большее быстродействие алгоритмов и меньшие интервалы времени между отдельными состояниями, для которых решаются задачи мониторинга и управления, чем в нормальных режимах.

Отдельную проблему составляет мониторинг аварийного режима. Учитывая динамический характер аварийного режима, результаты мониторинга должны представляться диспетчеру очень оперативно — в интегрированном виде с указанием мест в системе, опасных с точки зрения нежелательного развития аварии. Основная же информация, получаемая в результате мониторинга аварийного режима, должна поступать на автоматические средства и системы управления с целью их адаптации к текущим параметрам аварийного режима ЭЭС.

Помимо мониторинга и прогнозирования режимов, важную роль в плане повышения адаптивности управления играет использование эффективных адаптивных методов и алгоритмов выбора мест приложения и дозировок управляющих воздействий на основе новейших достижений теории управления и искусственного интеллекта, реализуемых диспетчером и системами автоматического управления и обеспечивающих адаптацию управлений к текущему состоянию системы и возможным возмущениям.

Существенное расширение и усиление координации управления необходимо в следующих направлениях [15]:

а) расширение координации управления режимами ЭЭС:

  • во временном разрезе — от координированного проектирования систем управления до реализации управляющих воздействий диспетчерскими и автоматическими средствами;
  • в ситуативном плане — координация оперативного диспетчерского, непрерывного автоматического и дискретного противоаварийного управления;

б) развитие и расширение номенклатуры средств координированного управления режимами ЭЭС:

  • развитие традиционных средств — систем управления возбуждением и мощностью синхронных машин, противоаварийной автоматики и др.;
  • использование новых средств измерения и управления — PMU, FACTS, накопителей энергии и др.;

в) распространение и развитие принципов и систем координированного оперативного диспетчерского и противоаварийного управления на распределительные электрические сети, содержащие установки распределенной генерации;

г) согласование коммерческих интересов субъектов рынков электроэнергии, мощности и системных услуг и необходимости обеспечения системной надежности и живучести ЭЭС;

д) формирование новых критериев и разработка новых методов мониторинга и прогнозирования режимов и управления ими с целью обеспечения эффективности координированного управления для всех субъектов оптового рынка, системной надежности и живучести ЭЭС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Концепция "умной", "интеллектуальной энергосистемы" является перспективной технологической платформой будущей электроэнергетики. Современные технические возможности позволяют двигаться в направлении формирования Smart Grid. Этот процесс будет постепенным, поскольку необходимые мероприятия требуют значительных средств. Тем не менее, имеющиеся оценки показывают потенциальную эффективность реализации новой парадигмы развития электроэнергетики.

Список литературы

  1. Grid 2030: A national version for electricity's second 100 years. Office of Electric Transmission and Distribution, United States Department of Energy, July 2003. 89 p.
  2. Amin S.M., Wollenberg B.F. Toward a Smart Grid: power delivery for the 21st century // IEEE Power and Energy Magazine, 2005, Vol. 3, No. 5, p. 34-41.
  3. European Smart Grids technology platform: Vision and strategy for Europe's electricity networks of the future. European Commission, 2006, 38 p.
  4. Shahidehpour M. Smart Grid: A new paradigm for power delivery // IEEE Bucharest Power Tech., Bucharest, Romania, June 28 - July 2, 2009, 7 p.
  5. Глушко С, Пикин С. Технологическая концепция Smart Grid — облик электроэнергетики будущего // Энергорынок, 2009, №11(71), с. 68-72.
  6. Кобец Б.Б., Волкова И.О. Smart Grid в электроэнергетике // Энергетическая политика, 2009, вып. 6, с. 54-56.
  7. Дорофеев В.В., Макаров А.А. Активно-адаптивная сеть — новое качество ЕЭС России // Энергоэксперт. 2009, № 4, с. 28-34.
  8. ChuandA., McGranaghan M. Function of a local controller to coordinate distributed resources in a Smart Grid // IEEE PES General Meeting, Pittsburg, USA, July 20-24, 2004, 6 p.
  9. McDonald J. Adaptive intelligent power systems: Active distribution networks // Energy Policy, 2008, Vol. 36, p. 4346-4351.
  10. Мато Х., Mallet S., Coste Th., Grenard S. Distribution automation: The cornerstone for Smart Grid development strategy // IEEE PES General Meeting, Calgary, Canada, July 26-30, 2009, 6 p.
  11. Simard G., Chartrand D., Christophe P. Distribution automation: Applications to move from today's distribution system to tomorrow's Smartgrid // IEEE PES General Meeting, Calgary, Canada, My 26-30, 2009, 5 p.
  12. Jiang Zhenhua, Li Fangxing, Qiao Wei, Sun Hongbin e.a. A vision of Smart Transmission Grids // IEEE PES General Meeting, Calgary, Canada, July 26-30, 2009, 10 p.
  13. Venayagamoorthy G.K. Potentials and promises of computational intelligence for Smart Grids // IEEE PES General Meeting, Calgary, Canada, July 26-30, 2009, 6 p.
  14. Xue Yusheng. Some viewpoints and experiences on Wide Area Measurement Systems and Wide Area Control Systems // IEEE PES General Meeting, Pittsburgh, USA, July 20-24, 2008, 6 p.
  15. Воропай Н.И. Задачи повышения эффективности оперативного и противоаварийного управления электроэнергетическими системами // Энергоэксперт, 2009, №4, с. 36-41.
  16. Кобец Б.Б., Волкова И.О.Инновационное развитие электроэнергетики на базе концепции Smart Grid. M.: ИАЦ Энергия, 2010, 208 с.
  17. Шакарян Ю.Г., Новиков Н.Л. Технологическая платформа Smart Grid (Основные средства) // Энергоэксперт, 2009, № 4, с. 42-49.

Воропай Николай Иванович — чл.-корр. РАН, директор ИСЭМСО РАН. Телефон (3952) 424700. E-mail: voropai@isem.sei.irk.ru

 
 
Полное содержание статьи Вы можете найти в первоисточнике
Источник:  ©  Автоматизация и IT в энергетике, март 2011 № 3 (20)
Материал размещен на www.transform.ru31.05.2011 г.
 

 

Перейти в форум для обсуждения

  ©  TRANSFORMаторы 2004—2010


Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика ??????????? ????