Современная
Российская экономика чрезвычайно энергоемка. Остановимся на некоторых
интересных фактах, присущих современной энергетике. В структуре себестоимости
продукции различных отраслей затраты на энергоносители в России в среднем в 1,7
раза превышают аналогичные показатели в Китае, в 7 раз — в США и в 12 раз — в
странах ЕС. Ситуация в электроэнергетике — не исключение. При передаче
потребителю электроэнергии суммарные потери в сетях 0,4—750 кВ фактически
доходят до 30%. Для сравнения: в Японии этот показатель равняется 5%, в
Западной Европе - 4-9%, США - 7-9%.
Сегодня
чрезвычайно модным является термин "интеллектуальная энергетика", которая
решит все задачи. Существует миф, что умные или интеллектуальные сети являются
революционным решением, способным чуть ли не одним махом решить многие проблемы
энергетики, в том числе и электроэнергетики. Однако, многие специалисты
считают, что интеллектуальные сети не станут волшебной палочкой для отрасли,
как на это надеются некоторые чиновники и политики. Многие специалисты в
области энергетики уверены, что их революционность проявится постепенно, через
многие годы квалифицированной и кропотливой работы.
Известный
специалист в области автоматизации систем энергетики Л. Осика говорит:
"Для начала следует определиться с понятием "интеллектуальные
сети". Я неоднократно убеждался, что и среди специалистов-электриков, и в
публичном пространстве существуют по этому поводу серьезные разногласия,
прямо-таки полярные мнения — что такое "интеллект" применительно к
линии электропередачи, электрической сети". На съезде Национальной
ассоциации губернаторов в США в феврале 2009 года директор одного крупного
предприятия энергоснабжения начал свою речь с признания в том, что он не
знает, что означает термин "интеллектуальная сеть". Это признание
звучит шокирующе, однако так считают многие в инженерном сообществе.
Следует
также отметить такую особенность — в государственных сетевых организациях
вопрос развития интеллектуальных сетей связан с выделением существенных объемов
государственного финансирования, при этом каждая структура старается
"перетянуть одеяло" на себя. Есть много схожих, но
"параллельно-перпендикулярных" инициатив, которые, в конечном счете,
невозможно полностью взаимоувязать и сбалансировать.
Бытует
даже такое мнение, что интеллектуальные сети (Smart Grid) в России — это
борьба различных промышленных и энергетических структур за государственное
финансирование!
Отсутствие
"узаконенной" формулировки понятия "Интеллектуальные энергетические
системы" на фоне повышенного интереса к этой тематике приводит к
определенной вульгаризации рассматриваемого термина.
"Интеллектуальными" порой называют энергетические системы, просто
оснащенные автоматикой, сигнализацией, диспетчерской системой, компьютерной
сетью и др.
Чтобы
разобраться с этим вопросом, обратимся немного к истории. Еще ровно шестьдесят
лет назад ученый Д. Мак-Кей (1951 г.!) ввел понятие самоуправляемых машин
(такого понятия, как "искусственный интеллект" тогда еще не было).
По его определению самоуправляемые - это такие системы, которые классифицируются
в соответствии с тем, как в них осуществляются следующие общие функции:
·
прием, классификация, запоминание и передача информации;
·
реакция на изменения в окружающей среде, включая выдачу информации о
состоянии самой машины;
·
дедуктивные рассуждения на основе множества допущений или постулатов и
обучения.
Хорошо
известно, что индукция — это способ мышления от отдельного к общему, от
детализации к обобщению. В то время как дедукция — это способ мышления от
общего к частному или от всеобщего к отдельному. Этот метод характерен для
системного подхода к анализу и синтезу сложных систем.
В случае
определения Д. Мак-Кея в обучение входит наблюдение и управление собственным
целенаправленным поведением. Все перечисленные функции, безусловно, характерны
для современной интеллектуальной системы, в том числе и в энергетике!
С точки
зрения техники наиболее интересным и содержательным является определение
системы, данное академиком П.К. Анохиным: "Системой можно назвать только
такой комплекс избирательно вовлеченных компонентов, у которых взаимодействие
и взаимоотношения принимают характер взаимоСОдействия компонентов на получение
фокусированного полезного результата" [1]. При этом "фокусированный
полезный результат" можно рассматривать как достижение цели функционирования
системы! Такое определение системы связывает ее с целенаправленной активностью.
Автор имел честь работать под руководством академика П.К. Анохина в
лаборатории бионики в 1965-1968 гг.
Один из
самых известных и влиятельных сторонников управления тотальным качеством У.
Деминг (W. Deming) утверждал, что каждая система должна иметь цель, что
организация должна стремиться к оптимизации всей системы, а не одной какой-то
её составляющей. Кроме того, система создает взаимосвязи между компонентами в
системе.
Интеллект
с точки зрения технических систем следует рассматривать как сочетание
способности предсказания среды со способностью выбора соответствующей реакции
из множества альтернатив с учетом результата предсказания и поставленной цели.
Представляется содержательным определять интеллект в терминах поведения
стремящейся к цели системы (живой или искусственной) и измерять степень ее
интеллекта по адекватности принимаемых ею решений. При отсутствии цели
принятие решений беспредметно, и термин "интеллект" не имеет смысла.
Сегодня
на практике существует несколько определений интеллекта применительно к
техническим системам, в том числе и в энергетике.
Например,
такое: технические системы обладают интеллектом, если в них используются
микропроцессоры и микроконтроллеры. Например, датчик называется интеллектуальным,
если в его составе присутствует микропроцессорный контроллер, обеспечивающий
перевод электрического сигнала в физическую величину, и при этом обеспечивается
реализация допускового контроля!
То есть аппаратное
решение в виде наличия
микропроцессора определяет принадлежность
устройства к интеллектуальным техническим
системам. Безусловно, такое определение
обладает множеством недостатков.
Другое,
более сильное определение звучит так, технические системы обладают интеллектом, если они
используют технологии
экспертных систем, искусственных нейронных сетей, аппарат нечеткой логики и т.п. (все вместе или
что-то одно). В этом случае наличие использования перечисленного выше
математического аппарата является основанием для того, чтобы систему считать интеллектуальной. Причем
насколько эффективно используется тот или иной математический аппарат, не
важно. Это определение также имеет определенные недостатки, поскольку оно никак
не связано с целенаправленным поведение технической системы.
И
наконец, третье определение, по нашему мнению, наиболее содержательное. К
интеллектуальным техническим системам следует относить технические системы, которые,
имея несколько целей функционирования (а может быть умеющие генерировать эти
цели!), выбирают самую подходящую цель в зависимости от окружающей среды,
прогнозируя повеление окружающей среды и свое собственное состояние. Именно последнее
определение, на наш взгляд, имеет практическую ценность для разработчиков
современных интеллектуальных систем, в том числе и в энергетике.
Рассмотрим
основные сегменты совершенствования интеллектуальных систем в энергетике и, в
частности, в интеллектуальных сетях. Построение интеллектуальной сети (в смысле
третьего определения!) должно стать стратегическим курсом развития
распределительного электросетевого комплекса, подразумевающим четыре основных
направления совершенствования:
·
интеллектуализация силового оборудования и технологии передачи и
распределения электроэнергии;
·
интеллектуализация технологического управления;
·
интеллектуализация специализированных коммуникационных и информационных
устройств;
·
интеллектуализация автоматизированных систем учета и управления
электропотреблением.
Концепция интеллектуализации должна способствовать
развитию следующих функциональных свойств электроэнергетики.
Обеспечивать самовосстановление при аварийных
возмущениях, переходя от управления по факту возмущения к предупреждению аварийного
повреждения элементов сети.
Развивать мотивацию активного поведения конечного
потребителя. Потребители смогут самостоятельно менять объем и потребительские
характеристики электроэнергии (уровень надежности, качества и т. п.) на
основании баланса своих запросов и возможностей энергосистемы с
использованием информации о параметрах цен, объемах генерации, надежности
энергоснабжения и др., т.е. генерирование своих целей.
Обеспечивать сопротивление негативным влияниям, в том
числе реализовывать информационную и энергетическую безопасность.
Обеспечивать надежность энергоснабжения и необходимое
качество электроэнергии в различных ценовых сегментах, а также трансформацию,
т.е. переход от системоориентированного подхода в клиентоориентированный
(координировать свои цели и цели конечных потребителей).
Реализовывать многообразие типов электростанций,
устройств аккумулирования электроэнергии (распределенная генерация) и оптимальную
интеграцию генерирующих и аккумулирующих мощностей в энергосистеме,
подключение с помощью стандартизованных процедур технического присоединения и
внедрение "микроэнергосистем" на уровне пользователей.
Расширять рынки мощности и энергии вплоть до включения
в их деятельность конечного потребителя, открывая доступ на рынки
электроэнергии "активного потребителя" и распределенной генерации с
целью повышения результативности и эффективности розничного сегмента.
Оптимизировать управление производственными активами,
переходя к удаленному мониторингу функционирования производственных фондов в
режиме реального времени с целью повышения эффективности их эксплуатации и
ремонта, улучшая наблюдаемость и управляемость ими.
В настоящее время [2] актуальным является создание
интегрированных интеллектуальных энергетических сетей (ИЭС) на основе
моделирования цифровой реальности (Virtual reality systems), обеспечивающей следующие
функции:
·
Получение и анализ информации о внешней среде, схемах и режимах энергосистемы.
·
Оценка технического состояния системы и формирование модели устойчивого
текущего режима.
·
Эквивалентирование сети для расчетов результирующей устойчивости.
·
Реализация расчетов статистической и динамической устойчивости и определение
допустимых значений перетоков по отдельным сечениям сети.
·
Представление и отображение информации на рабочих станциях и
диспетчерских пунктах.
·
Оценка и ведение текущего режима по условиям надежности, безопасности и
операционной эффективности.
·
Информационная поддержка диспетчеров (оперативный баланс мощности,
распределение резервов, состояние оборудования и др.).
·
Анализ аварийных ситуаций и формирование плана нормализации
послеаварийного режима (советчик диспетчера).
·
Проверка допустимости разрешения оперативных и аварийных ремонтных
заявок.
·
Обеспечение функционирования технологий балансирующего рынка электроэнергии
и мощности, в том числе функционирования рынка системных технологических
услуг.
·
Расчет дозировки управляющих воздействий противоаварийной автоматики и
координацию настройки устройств противоаварийной автоматики (ПА).
·
Автоматическое регулирование напряжения и реактивной мощности и
автоматическое регулирование частоты и активной мощности.
·
Прогнозирование баланса нагрузки систем и ее распределения.
·
Контроль (мониторинг) состояния систем режимного и противоаварийного
управления, исполнения оперативных команд диспетчеров и управляющих
воздействий устройств автоматического регулирования (напряжения, частоты,
мощности) и ПА и др.
·
Оценка экономической эффективности системы.
·
Самопополнение, обновление и хранение базы данных о состоянии системы и
принятых решениях по ее управлению; прогнозирование параметров системы на
текущий и будущие периоды ее функционирования.
Наибольшее улучшение показателей эффективности по итогам реализации
региональных программ по энергосбережению связано со снижением времени
восстановления электроснабжения (CAIDI) (в 4-5 раз), со снижением количества
неправильно выставленных счетов за энергию (50-70%) и связано с повышением
точности определения места возникновения аварий (более 50%). Наименьшая
степень улучшения по итогам реализации региональных программ по
энергосбережению связана со снижением потерь электроэнергии за счет
автоматизации и повышения точности учета электроэнергии (5-7%) и со снижением
хищений электроэнергии за счёт отслеживания несанкционированных подключений к
сети (10-15%).
Следует отметить, что наибольшие ожидания от применения технологии
Smart Grid связаны с уровнем участия потребителей и уровнем использования
производственных активов распределительных сетей.
В области потребления характерно снижение пиковых нагрузок и как
следствие перенос строительства новых электростанций. При этом экономия
достигает 18 млн долларов в год. Очень важен экологический аспект — снижение
выбросов C02 на 43 тыс. тонн. Экономия для потребителей составит 10%.
В распределительных сетях — снижены потери до 10%, снижены выбросы СО2
на 45 тыс. тонн, при этом экономия 7 млн долларов в год.
В области генерации главный эффект — уменьшение числа аварий и
внеплановых ремонтов. Экономия составляет 11 млн долларов в год. Снижение
аварий до 80%. Внедрение технологий интеллектуальной сети окупается за 4 года.
Важным моментом является повышение надежности сетевого оборудования и
его КПД, а также продление срока службы энергетического оборудования. Экономия
от продления срока службы оборудования составляет 5 млн долларов в год.
Внедрение технологий интеллектуальной сети существенно снижает количество
аварий и времени восстановления испорченного оборудования.
В области инжиниринга и персонала интеллектуальная сеть экономически
эффективна, существенно повышает производительность труда обслуживающего
персонала за счет интеллектуализации и автоматизации. Снижение затрат на
персонал достигает 30%. Особенно следует отметить повышенную точность
получаемых данных.
Существующая энергосистема в области генерации электроэнергии
ориентирована на приоритет крупной генерации (ГЭС, ТЭЦ и т.п.), при этом реализуется
активное управление по заданным режимам генерации. В случае перехода к
интеллектуальной системе используется любая генерация, включая возобновляемые
источники электроэнергии (например, ветроэнергетика и т.п.). Активное
управление всеми генерирующими мощностями и создание для общей координации
центров управления. Использование различных видов генерации электроэнергии -
от большой до малой энергетики — позволяет устранить дефицит мощности.
Существующая энергосистема реализует пассивную систему передачи
электроэнергии, осуществляется управление сетью за счет коммутаций. Причем,
как правило, недостаточно эффективно реализуются функции наблюдаемости и
управляемости электрических сетей. В случае перехода к интеллектуальной
системе реализуется интеллектуальная система передачи электроэнергии с
управлением режимами в реальном времени, обеспечивая эффективную реализацию
функций наблюдаемости и управляемости электрических сетей.
В существующей энергосистеме реализуется свободное использование
электроэнергии потребителями с учетом внешних ограничений (например, на
электрическую мощность и т.п.). В случае перехода к интеллектуальной системе
реализуется гибкое эффективное использование электроэнергии с адаптацией к
различным системным ситуациям.
Проведенный в [5] анализ позволил сформулировать следующие исходные
положения, принятые при разработке и развитии концепции Smart Grid за рубежом.
1.
Концепция Smart Grid предполагает системное преобразование
электроэнергетики (энергосистемы) и затрагивает все ее основные элементы:
генерацию, передачу и распределение (включая и коммунальную сферу), сбыт и
диспетчеризацию.
2.
Энергетическая система рассматривается в будущем как подобная сети
Интернет инфраструктура, предназначенная для поддержки энергетических,
информационных, экономических и финансовых взаимоотношений между всеми
субъектами энергетического рынка и другими заинтересованными сторонами.
3.
Развитие электроэнергетики должно быть направлено на развитие существующих
и создание новых функциональных свойств энергосистемы и ее элементов,
обеспечивающих в наибольшей степени достижение ключевых ценностей новой
электроэнергетики, выработанных в результате совместного видения всеми заинтересованными
сторонами целей и путей ее развития.
4.
Электрическая сеть (все ее элементы) рассматривается как основной
объект формирования нового технологического базиса, дающего возможность
существенного улучшения достигнутых и создания новых функциональных свойств
энергосистемы.
5.
Разработка концепции комплексно охватывает все основные направления
развития: от исследований до практического применения и тиражирования и должна
вестись на научном, нормативно-правовом, технологическом, техническом,
организационном, управленческом и информационном уровнях.
6.
Реализация концепции носит инновационный характер и дает толчок к
переходу на новый технологический уклад в электроэнергетике и в экономике в
целом.
И это уже
не миф, а реальность! За рубежом интеллектуальная энергетика интенсивно развивается.
Список
литературы
1. П. К. Анохин. Принципиальные вопросы
общей теории функциональных систем 1973 год (http://www.raai.org/library/books/
anohin/anohin.htm).
2. В.Р. Окороков, И.О. Волкова, Р.В. Окороков.
Интеллектуальные энергетические системы : технические возможности и эффективность.
Академия энергетики №3, 2010 год.
3. "Grids
2030". A National Vision for Electricity's Second 100 years. Office of
Electric Transmission and Distribution of USA Department of Energy. 2003.
4. The
National Energy Technology Laboratory. "A vision for the Modern
Grid". March
2007.
5. Б.Б. Кобец, И.О. Волкова. В.P.
Окороков. Smart Grid как концепция инновационного развития электроэнергетики
за рубежом. Энергоэксперт №2. 2010 год.