Smart Grid или умные сети электроснабжения
В последнее время все чаще можно услышать термин SMART GRID (умные сети), на эту тему проводится множество конференций и дискуссий по внедрению данной системы в электроэнергетику разных стран. Попробуем разобраться что же такое SMART GRID?
Не смотря что термин SMART GRID официально используется с 2003 году после публикации M. T. Burr «Спрос надёжности будет управлять инвестициями», к единой трактовке понятия до сих пор не пришли. В мировой практике для определения умной сети используются ее атрибуты или признаки:
Источник: США — usctc 42 152 IX; Евопейский союз — Smart Grid European Technology Platform, Россия — Основные положения концепции интеллектуальной энергосистемы с активно-адаптивной сетью
Примечание: на территории России SMART GRID получила название Интеллектуальная электроэнергетическая система с активно-адаптивной сетью (ИЭС ААС)
Если попытаться объединить все признаки, то получается, что SMART GRID (умные сети) – это система передачи электроэнергии от производителя к потребителю, которая самостоятельно отслеживает и распределяет потоки электричества для достижения максимальной эффективности использования энергии. Используя современные информационные и коммуникационные технологии, всё оборудование сетей Smart Grid взаимодействует друг с другом, образуя единую интеллектуальную систему энергоснабжения. Собранная с оборудования информация анализируется, а результаты анализа помогают оптимизировать использование электроэнергии, снизить затраты, увеличить надежность и эффективность энергосистем.
ЗАРОЖДЕНИЕ И СТАНОВЛЕНИЕ
Впервые этот термин SMART GRID использовался Массудом Амином и Брюсом Волленбергом в публикации «К интеллектуальной сети» в 1998 г. Первые же применения были связаны с рекламными названиями специальных контроллеров, предназначенных для управления режимом работы и синхронизации автономных ветрогенераторов с электрической сетью. Потом этот термин стал применяться для обозначения микропроцессорных счетчиков электроэнергии, способных самостоятельно накапливать, обрабатывать, оценивать информацию и передавать ее по каналам связи или Интернет.
Первым же крупным проектом в данной сфере можно считать итальянский проект Telegestore, который объединял 27000000 домов с использованием смарт-счетчиков соединённых через цифровую сеть используя саму линию электропередачи. Суть данного проекта заключалась в том, что такие устройства, как бытовые кондиционеры, холодильники и обогреватели могли корректировать свой рабочий цикл, чтобы избежать запуска во время пиковой нагрузки сети.
Но толчком в развитии умных сетей стало масштабное применение возобновляемых источников энергии, которые характеризуются непостоянством выработки электроэнергии как по времени, так и по мощности. Все это вызывало дополнительные сложности в регулировании мощности и «перетоков» в электрической сети. Свой вклад внес и низкий потенциал повышения эффективности существующей технологической базы энергетики, которая практически исчерпала возможности повышения производительности оборудования.
В результате была необходима новая концепция электрических сетей, которая способна была бы обеспечить общественное развитие, прорывное повышение потребительских свойств и эффективности использования энергии с учетом всех факторов развития электроэнергетики в будущем. Такой концепцией и стала Smart Grid.
На данный момент в США и Европе формируется широкая система стандартов и требований к функциям, элементам, устройствам, системе взаимодействий Smart Grid. Для тестирования умных сетей запущено множество пилотных проектов, например внедрение SMART GRID на острове, находящимся в Балтийском море в 90 км от материковой части Швеции. В рамках проекта около 30-ти предприятий и 3000 частных домохозяйств будут подключены к умной сети. Помимо традиционных источников в данную сеть включены оффшорные и континентальные ветропарки общей мощностью 170 МВт, а также солнечная электростанция мощностью 55 кВт. Более подробную информацию можно найти на сайте проекта.
РАЗЛИЧИЕ С ТРАДИЦИОННОЙ СЕТЬЮ
Технология Smart Grid характеризуется несколькими инновационными свойствами, такими как:
- Активная двунаправленная схема взаимодействия в реальном масштабе времени информационного обмена всеми между элементами и участниками сети, от генераторов энергии до оконечных устройств электропотребителей.
- Охват всей технологической цепочки электроэнергетической системы от энергопроизводителей (как центральных так и автономных) и электрораспределительных сетей до конечных потребителей.
- Обеспечение практически непрерывного управляемого баланса между спросом и предложением электрической энергии. Для этого элементы сети должны постоянно обмениваться между собой информацией о параметрах электрической энергии, режимах потребления и генерации, количестве потребляемой энергии и планируемом потреблении, коммерческой информацией.
- Smart Grid умеет эффективно защищаться и самовосстанавливаться от крупных сбоев, природных катаклизмов, внешних угроз.
- С точки зрения общей экономики Smart Grid способствует появлению новых рынков, игроков и услуг.
Благодаря современным технологиям Smart Grid может применяться как в масштабах зданий, предприятий, так и для обычных домашних электрических устройств, например холодильника или стиральной машины. Соответственно, все устройства, входящие в состав Smart Grid, должны быть оснащены техническими средствами, осуществляющими информационное взаимодействие.
Источник: www.smartgrid.gov
Сравнение традиционной сети и активно-адаптивной сети
Немало важную роль в системах Smart Grid занимает надежность, как информационная так и физическая. Согласно концепции, Smart Grid должна противостоять физическим и информационным негативным воздействиям без тотальных отключений или высоких затрат на восстановительные работы, максимально быстрое восстановление (самовосстановление). Многие эксперты высказывают свое опасение относительно информационной безопасности системы. Если попытаться объяснить простыми словами, то все что передается через Интернет может быть взломано и использоваться для различных целей. Ярким примером «незавершённости» системы является программный продукт компании производителя Smart Grid микроконтроллеров для солнечных панелей.
На сайте производителя собрана информация по системам мониторинга фотогальванических установок, которые оказались чрезвычайно распространенными. Согласно сведениям разработчика, в мире функционирует более 200 тысяч солнечных электростанций и почти 1 млн инверторов, подключенных к веб-серверу этой компании. При желании можно обнаружить множество систем частных пользователей и страниц с данными о потреблении и выработке электроэнергии различных систем.
Источник: сайт производителя
Конечно, эта информация может представлять интерес разве что для надзорных органов, но не для злоумышленника. Но некоторые на этом не остановились и им удалось взломать «прошивку» контролера. Т.к. данная система в основном проходит испытания, то возможно производитель в ближайшее время улучшит информационную защиту своего продукта.
ЭФФЕКТ ОТ ВНЕДРЕНИЯ
Оценки показывают, что переход к инновационному варианту развития на базе интеллектуальной энергетики будет сопровождаться существенным снижением вводов новых электростанций и связанных с ним сетевых объектов для выдачи мощности. Вследствие, чего снижение капиталовложений является наиболее значимым системным экономическим эффектом.
Вторым наиболее крупным эффектом является снижение топливных затрат электростанций. Дополнительный эффект может быть достигнут с учетом экономической стоимости выбросов парниковых газов.
В качестве примера рассмотрим моделирование внедрения умных сетей на территории ЕЭС России.
Для предварительной оценки возможных системных эффектов в ЕЭС России при создании интеллектуальной электроэнергетики были использованы данные по результатам пилотных проектов Smart Grid, реализация которых начата в различных странах. Следует отметить, что по многим причинам сохраняется крайне высокая неопределенность ожидаемых эффектов от внедрения элементов Smart Grid. Результаты представлены ниже:
Количественная оценка изменения балансовых условий в ЕЭС России при развитии интеллектуальной энергетики
Источник: Основные положения концепции интеллектуальной энергосистемы с активно-адаптивной сетью
Сопоставление экономических эффектов и необходимых затрат на создание «умной сети» показывает, что уже к 2030 г. экономические выгоды от реализации проекта интеллектуальной энергетики в масштабе ЕЭС России окажутся сопоставимыми с необходимыми капиталовложениями:
Характеристика затрат и эффектов создания ИЭС ААС в электроэнергетике России до 2030 г., млрд руб. на 2010 г.
Источник: Основные положения концепции интеллектуальной энергосистемы с активно-адаптивной сетью
БЕЛАРУСЬ
На сегодняшний момент развитие «умных сетей» в Беларуси находится на самом начальном уровне, вероятнее всего пока обсуждают возможности и аспекты внедрения данной технологии. Мировой опыт в реализации пилотных проектов и многочисленные исследования показывают, что применение интеллектуальных сетей в перспективно и экономически оправдано. На сегодняшний момент Smart Grid системы – это закономерный этап развития электроэнергетики с учетом мировых технических достижений. И Беларусь ни в коем случае не должна его игнорировать, двигаясь вперед совместно с ведущими державами. К это стоит добавить и тот факт, что для нашей страны не встанет вопрос о разработке основных концепций, ведь уже сейчас накоплен огромный опыт, который можно перенять и использовать уже установившееся и работающие технологии. Возможно, внедрение «умных сетей» позволило бы решить проблемы с интеграцией Белорусской АЭС в энергосистему страны.
Источник
От аналога к цифре, или как работают умные сети
К 2050 году численность населения Земли вырастет, по данным ООН, на 2,5 млрд человек и приблизится к отметке в 10 млрд. Уже сейчас предприятия и государственные органы внедряют технологические решения, которые позволяют эффективно использовать различные ресурсы. Это касается и электрогенерации, где применение цифровых технологий позволит существенно сократить потери в сетях. В этом уже убедились компании из сферы российской электроэнергетики, ведь износ сетевой инфраструктуры, по некоторым оценкам, составляет 70%.
По оценкам руководства компании Schneider Electric, из-за стремительного роста численности населения Земли, уже к 2050 году будет потребляться на 50% больше электроэнергии, чем сейчас. Сопутствующей проблемой может стать повышение уровня выбросов углекислого газа в атмосферу.
Умные сети: появление термина
Наряду с ростом производства электроэнергии, предприятия и частные потребители к этому времени должны оптимизировать потребление этого ресурса. В оптимизации, несомненно, поможет реализация концепции Smart Grid.
Термин Smart Grid («умная сеть») впервые упоминается в 2003 году в работе Майкла Берра (Michael T. Burr) «Требования к надёжности будут управлять инвестициями в автоматизацию».
«Слабые места в энергосистеме могут быть сужены благодаря новым способностям передачи энергии и системам сетевого управления. Эти два направления, вероятно, получат грандиозные инвестиции в последующие года», — отмечалось в работе исследователя.
В докладе Майкл Берр также ссылался на исследования Electric Power Research Institute, сотрудники которого прогнозировали, что электронное управление в реальном времени заменило бы существующее электромеханическое распределительное устройство системы, позволив более оперативно контролировать работу цифровой сети.
Майкл Берр также отмечал следующие преимущества:
Объединение энергосистемы с системами коммуникаций создало бы «динамическую, интерактивную энергосистему», которая поддержит обмен информацией в режиме реального времен».
Расширенные измерения: замена старой системы учета на систему учета в режиме реального времени
Распределенные ресурсы: внедрение распределенной генерации позволит повысить надежность и производительность системы.
Эффективность использования энергии конечными устройствами потребителей: технологические достижения повысят эффективность конечного использования электроэнергии обеспечат более гибкое управление устройствами.
Формально определение умной сети появилось через несколько лет после доклада Берра. Оно было представлено в Законе США «Об энергетической независимости и безопасности», одобренном Конгрессом США в январе 2007 года. В пояснительной записке к нормативному документу было указано: «Политика США должна поддержать модернизацию электросетевой инфраструктуры, что приведет к увеличению уровня ее безопасности и эффективности». План мероприятий состоял из нескольких пунктов:
Использование умных сетей: более широкое использование цифровой информации и технологий оперативного управления и мониторинга, чтобы повысить надежность и эффективность электрогенерации;
Динамическая оптимизация сетевых операций и ресурсов, с обеспечением полной кибербезопасности;
Развертывание и интеграция распределенных ресурсов и генерации, включая возобновляемые ресурсы, внедрение «умных» технологий (в режиме реального времени, автоматизации, интерактивных технологий, которые позволяют оптимизировать физическую работу приборов и бытовой техники) для учета измерений, коммуникаций относительно операции по сети;
Предоставление клиентам (как частным, так и корпоративным) данных в режиме реального времени о потреблении ресурсов для оперативного контроля;
Обеспечение практически непрерывного управляемого баланса между спросом и предложением электрической энергии и т.д.
Что такое Smart Grid?
Термин Smart Grid до сих пор не имеет в России четкого определения. Однако в нормативных документах России можно встретить определение «интеллектуальная электроэнергетическая система» (ИЭС). В целом, Smart Grid и ИЭС имеет следующие атрибуты: интегрированное использование энергосистемами цифровой технологии. Так, электроэнергетические компании имеют цифровую прослойку, которая является центром умной сети. Благодаря цифровым технологиям преобразуются бизнес-процессы.
Умная сеть – это сеть энергоснабжения, в которой передача электроэнергии происходит с использованием цифровых технологий. Активно задействуется анализ данных о потреблении, элементами такой системы может стать Big Data и предиктивная аналитика для своевременной профилактики оборудования и предотвращения аварийных ситуаций. Умные сети способны самостоятельно отслеживать потребление энергоресурсов, в автоматическом режиме распределять энергопотоки, чтобы избежать пиковых нагрузок и скачков напряжения. Инфраструктура Smart Grid взаимодействует друг с другом.
Сердцем умной сети по праву можно считать цифровые подстанции (ЦПС). ЦПС, в отличие от традиционных подстанций, оснащены информационно-технологическими и управляющими системами. Таким образом осуществляется взаимодействие (обмен данными) между ЦПС и другими сетевыми объектами.
ЦПС, как правило, включают в себя гибридный набор технологий: АСУ ТП, АСКУЭ (Smart Metering), автоматизированные измерительные системы контроля за технологическими параметрами подстанции и т.д. В итоге аналоговые сигналы оборудования сети преобразуются в цифровые, что трансформирует сеть в «умную».
Для передачи данных используются оптоволоконные кабели, что позволяет на порядок сократить использование обычных кабелей для трансформаторной подстанции.
Сейчас в России износ сетевого комплекса достигает 70%, а потери электроэнергии в некоторых регионах могут составлять до 40%. Поэтому премьер-министр России Дмитрий Медведев поручил создавать в энергетической отрасли умные электрические энергосети. Отечественные эксперты оценивают рынок умных сетей в $800 млрд до 2035 года. Проекты по интеллектуальным сетям (EnergyNet) включены в Национальную технологическую инициативу. Первый замминистра энергетики Алексей Текслер рассказал, что одним из перспективных направлений EnergyNet станет «виртуальная электростанция».
«Это электронная система, состоящая из интеллектуальных коммутационных аппаратов, систем управления, учета энергии, оперативно-диспетчерского управления, которая в автоматическом режиме управляет сетью. Это позволит на четверть снизить стоимость владения сетью, не менее чем на 50% уменьшить потери электроэнергии и более чем на 70% снизить аварийность», — цитируют «Известия» Текслера. По его словам, первый этап проекта реализуется в Калининграде.
Проект в Калининграде
В 2014 году «Янтарьэнерго» (Калининград) инициировало проект по внедрению «умных» сетей. В двух районах города энергетики создали систему распределенной автоматизации сетей. К существующей инфраструктуре были добавлены реклоузеры, которые позволяют без участия оперативного персонала автоматически находить и выделять повреждённый участок, сохраняя электроснабжение основной части потребителей.
Первые результаты проекта показали, что достаточно одного выезда аварийных бригад и до 49 минут, чтобы ликвидировать последствия аварий. Раньше на это уходило до пяти выездов для поиска места аварии и ликвидации нарушений. На эти мероприятия уходило около шести часов. Кроме того, при авариях сейчас отключается до 10 трансформаторных подстанций и максимум 900 жителей (ранее 20-30 подстанций и 3 тыс. человек). Элементами умной сети в Калининграде также стали умные счетчики. Так как опыт «Янтарьэнерго» уникален для России, то его планируют тиражировать по всей стране.
Умные сети в Башкирии
Износ оборудования в Уфе до реализации проекта «умная сеть» составлял 50%.
Проекты, реализуемые «Башкирской электросетевой компании» (БЭСК) и Siemens с осени 2013 года, также, как и в Калининграде, уже сейчас позволили существенно сократить время обесточивания потребителей. Энергетики решили использовать концепцию SmartGrid, для чего обновили 512 наблюдаемых и 157 управляемых трансформаторных пунктов, а также проложили 350 км кабельных линий. Был построен и Центр управления сетями, сообщала «Независимая Газета».
Siemens использовал для реализации проекта:
устройство контроля состояния сети (позволяет обнаружить короткое замыкание и указать его направление, контролировать основные электрические параметры);
оборудование релейной защиты и автоматики (защита, автоматика управление распределительными устройствами);
контроллеры (собирают сигналы о положении ключей и коммутационных аппаратов, а также о срабатывании защит и передают команды).
После реализации в некоторых районах Уфы концепции Smart Grid, на 70% сократились коммерческие, а на 30% — технологические потери. Завершить переход на интеллектуальную энергетику в городе планируют к 2019 году. И если до старта проекта коммерческие потери составляли 400 млн руб. ежегодно, то новая система позволит снизить потери и экономить до 500 млн руб. в год.
Источник