Концепция интеллектуальной электроэнергетической системы России с активно-адаптивной сетью (ИЭС ААС)

Концепция ИЭС ААС (далее по тексту – Концепция) разработана ОАО «НТЦ электроэнергетики» в 2011 году по заказу ОАО «ФСК ЕЭС» с привлечением ряда отраслевых и академических институтов, в т.ч. ОАО «Институт Энергосетьпроект», ОИВТ РАН, ИСЭМ РАН, ИНЭИ РАН, ИПУ РАН, ГУ ИЭС, ВШЭ, МЭИ (ТУ). В настоящее время проект Концепции рассматривается подразделениями заказчика и экспертными организациями. Целью данного доклада является привлечение внимания широкой научно-технической общественности к её основным положениям.

Концепция предназначена для определения принципиальных подходов к построению инновационной Единой национальной электрической сети (далее по тексту – ЕНЭС), соответствующей наиболее современным требованиям развития электроэнергетики, и охватывает иерархию задач управления режимами функционирования Единой электроэнергетической системы (ЕЭС), передающих и распределительных сетей в контексте совершенствования технологий производства, передачи, преобразования, распределения и потребления электрической энергии.

Идеология, базовые технологии и механизмы реализации ИЭС ААС

В проекте Концепции представлены идеология, базовые технологии и механизмы реализации ИЭС ААС нового поколения. Обобщается и адаптируется к отечественным условиям мировой опыт интеллектуализации сетей, применения новейших информационных технологий для мониторинга, автоматизированного и автоматического управления элементами энергосистемы, электроустановками потребителей с учётом развития системных услуг. Показаны принципы и места размещения прорывных видов техники и области применения новейших технологий управления процессами в ЕЭС/ЕНЭС, пилотные проекты, приведены укрупнённые стоимостные оценки.

Особое внимание уделяется:
- вопросам развития принципов и систем управления энергосистемами в стационарных, аварийных и послеаварийных режимах;
- интерфейсу на стыке с потребителем, при этом рассматриваются подходы по структурированию потребителей;
- интерфейсу на стыке основной и распределительной сети;
- обеспечению информационной безопасности;
- распределённой генерации;
- управлению качеством и надёжностью электроснабжения потребителей;
- управлению спросом;
- построению интеллектуальных микросетей.

Даётся укрупнённая оценка эффективности применяемых технологий, а также приведены механизмы реализации Концепции.

В Концепции даётся анализ и формулируются подходы по совершенствованию технологических процессов управления на основе новых технологий.

Стратегическая цель и принципы построения ИЭС ААС

ИЭС ААС представляет собой электроэнергетическую систему нового поколения, основанную на мультиагентном принципе организации и управления её функционированием и развитием с целью обеспечения эффективного использования всех ресурсов (природных, социально-производственных и человеческих) для надёжного, качественного и эффективного энергоснабжения потребителей за счёт гибкого взаимодействия всех её субъектов (всех видов генерации, электрических сетей и потребителей) на основе современных технологических средств и единой интеллектуальной иерархической системы управления.

В ИЭС ААС обеспечиваются ключевые ценности, основанные на социальной направленности с высоким общественным имиджем, в т.ч.:
- достаточность (по мощности, объёму и графику электропотребления) энергетических услуг надлежащего качества;
- допустимость (технологическую и социально-экологическую) совместной работы систем централизованного и децентрализованного энергоснабжения при поддержке необходимого уровня резервирования и надёжности энергоснабжения;
- доступность предоставления услуг (подключения) и передачи электроэнергии в соответствии с экономически обоснованным спросом.

При этом ИЭС ААС должна обеспечить:
- стандартизованный высокотехнологичный гибкий интерфейс «генератор – сеть», «потребитель – сеть»;
- эффективное использование электроэнергии за счёт ситуационного регулирования нагрузки с максимальным учётом требований (в том числе экономических) потребителей;
- регулирование обменов мощности с соответствующей системой управления активными элементами ААС и объектами генерации на базе новой сетевой топологии;
- реализацию адаптивной реакции энергосистемы в режиме реального времени на основе сочетания централизованного и местного режимного и противоаварийного управления в нормальных и аварийных режимах;
- освоение новых информационных ресурсов и технологий для оценки ситуаций, выработки и принятия оперативных и долговременных решений;
- расширение рыночных возможностей инфраструктуры путём взаимного оказания широкого спектра услуг субъектами рынка и инфраструктурой.

Особенностью Концепции является комплексный подход к рассмотрению ЭЭС в иерархическом взаимодействии основных технологических подсистем и взаимосвязи выполняемых функций. Особую сложность представляет верхний уровень функционирования и управления в ЕЭС, который выполняет ОАО «СО ЕЭС», а также уровень управления эксплуатацией и развитием ЕНЭС (сети напряжением 220, 330, 500, 750 кВ), выполняемый ОАО «ФСК ЕЭС». Данный уровень отличается высокой технологичностью процессов управления, развитыми системами быстродействующей релейной защиты, режимной и противоаварийной автоматики, новейшими АСУ ТП высоковольтных подстанций, налаженной работой системы оперативно-диспетчерского и оперативно-технологического управления с использованием EMS/ SCADA, мощными, хорошо защищёнными телекоммуникациями и информационным обеспечением.

Интеллектуальная ЕНЭС должна обеспечивать решение следующих задач:
- доступ любых видов генерации и потребителей электрической энергии к услугам электросетевой инфраструктуры;
- «активность» потребителей электроэнергии за счёт их оснащения интеллектуальными системами учёта с возможностью оперативного, ситуационного управления составом и мощностью подключённых электроустановок (Управление спросом);
- нормированное качество электроэнергии, обеспечение «цифрового» качества электроэнергии, задаваемого развитием мегаполисов, инноградов, научно-технических центров;
- оптимизация производства и потребления электроэнергии за счёт регулирования нагрузки с максимальным учётом требований потребителей (в том числе и экономических), а также повышения пропускной способности линий электропередачи;
- максимальная самодиагностика, предупреждение системных сбоев, развитие технологий самовосстановления схем электроснабжения как следствие снижения недоотпуска электроэнергии потребителям;
- расширение рыночных возможностей инфраструктуры путём взаимного оказания широкого спектра услуг субъектами рынка и инфраструктурой;
- использование оптимальных инструментов и технологий эксплуатации и обслуживания активов;
- повышение наблюдаемости сети (сбора информации) о текущем состоянии сети и её элементов (включая внешние воздействия окружающей среды), а также обработки данной информации в режиме реального времени;
- развитие и развёртывание систем мониторинга природно-климатических воздействий.

Интеллектуальная или активно-адаптивная ЕНЭС представляет собой совокупность подключённых к генерирующим источникам, распределительным электрическим сетям и потребителям электроэнергии элементов электрических сетей высокого и сверхвысокого напряжения и систем управления, включающих:
- линии электропередачи, оснащённые при необходимости установками для изменения продольных и поперечных реактивных сопротивлений, а также автоматизированными системами контроля их технического состояния (температура и стрела провеса провода, наличие гололёдообразования, исправность систем защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений, состояние подвесной и воздушной изоляции);
- устройства электромагнитного преобразования электроэнергии с широкими возможностями регулирования параметров (напряжения по модулю и по фазе, мощности реактивной и активной, преобразования рода тока – переменного и постоянного) и других параметров, а также средства накопления и аккумулирования энергии;
- коммутационные аппараты с высокой отключающей способностью и большим коммутационным ресурсом;
- исполнительные механизмы, позволяющие в реальном масштабе времени воздействовать на активные элементы сети, изменяя её параметры и топологию (конфигурацию и сопротивления);
- большое количество датчиков положений и текущих режимных параметров, достаточное для обеспечения оценки состояния сети в нормальных, предаварийных, аварийных и послеаварийных режимах работы энергосистемы, с высокой скоростью съёма показаний в цифровом виде;
- современные цифровые устройства защиты и автоматики;
- информационно-технологические и управляющие системы, в т.ч. программное обеспечение и технические средства адаптивного управления с возможностью воздействия в реальном масштабе времени на активные элементы сети и электроустановки потребителей;
- быстродействующую многоуровневую управляющую систему с соответствующим информационным обменом для управления и контроля состояния системы в целом, её частей и элементов с различными временными циклами для разных уровней управления;
- систему координации управляющих воздействий при обменах с локальными (самосбалансированными, содержащими объекты малой и распределённой генерации) центрами управления при возникновении небалансов, включая аварийные ситуации.

Для трансформации ЕНЭС в активно-адаптивную сеть с приданием ЕЭС свойств и качеств интеллектуальной электроэнергетической системы необходимо выполнить:
- создание на принципах векторного измерения в реальном времени токов, напряжений и топологии сети новых средств и систем релейной защиты, режимной и противоаварийной автоматики;
- развитие существующих, разработка и внедрение новых иерархических систем координации и управления перетоками мощности, регулирования частоты и напряжения, автоматизированного управления генерацией;
- разработку (на основе высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), силовой электроники, новых проводниковых, изолирующих, ферромагнитных, конструкционных материалов) новых видов силового оборудования, придающих электрической сети в настоящее время отсутствующие активные свойства (маневренность, глубокое ограничение токов короткого замыкания, быстродействующее регулирование величин и углов напряжения, пропускной способности электропередач);
- модернизацию путём технического перевооружения морально и физически устаревшего парка традиционного электротехнического оборудования и электрических аппаратов с приданием ему качеств, соответствующих современным мировым критериям аппаратной надёжности, взрывозащищённости, пожарной безопасности, высокой заводской готовности, ремонтопригодности, наблюдаемости, способности эксплуатироваться без постоянного присутствия оперативного персонала;
- разработку систем управления подстанциями и мониторинга электротехнического оборудования нового поколения;
- создание современных систем мониторинга технического состояния воздушных линий (ВЛ) от предельных, в т.ч. внешних, природно-климатических воздействий (молниевые воздействия, гололёдно-ветровые воздействия, пожары, нагревы проводов, габариты при прохождении по лесным массивам);
- создание новых систем и средств учёта энергоресурсов;
- обеспечение мониторинга параметров надёжности и качества предоставляемых услуг по передаче электрической энергии.

Принципиальные отличия ААС от современной традиционной сети ЕНЭС приведены в таблице.

Таблица
Сравнение активно-адаптивной сети и традиционной сети ЕНЭС.

Реализация концепции

Реализация заложенных в Концепцию принципов построения интеллектуальных сетей и её активных элементов планируется через программу НИОКР ОАО «ФСК ЕЭС» на 2012–2016 гг. путём создания элементной базы (токоограничители, «цифровое КРУЭ», создание цифровой подстанции, ВТСП-технологии, газоизолированные линии, вставки постоянного тока на базе СТАТКОМ), а также единой информационно-технологической сети, управляемой в комплексе с системами связи, измерений, учёта электроэнергии, включающей системы локального и централизованного управления и регулирования – этот фактор и является основным при построении ИС.

Основным при этом является создание аппаратно-программного комплекса, способного анализировать и вести контроль за состоянием оборудования с помощью датчиков, регистрирующих его основные параметры (температура, ток нагрузки, количество отключений и срабатываний), системы первичных измерений основных электрических параметров сети (напряжение, токи, мощность, фазовый сдвиг) и осуществлять непосредственное автоматическое управление устройствами регулирования параметров сети: УУПК, ФПУ, СТАТКОМ, УШР, СТК.

Одновременно в режиме реального времени должна вестись оценка состояния режимов энергосистемы, запасов устойчивости на основе векторных измерений (технология PMU), оптимизация режимов по реактивной мощности и напряжению, управление пропускной способностью сети, электропотреблением.

Таким образом, должен произойти переход от автономной работы различных автоматизированных программных устройств основного оборудования в сторону полнофункционального программно-аналитического комплекса, управляющего исполнительными механизмами силового оборудования (АТ, выключатели, разъединители, КРУЭ) и установок (СКРМ, УУПК), обеспечивающих изменение их параметров в нормальных и аварийных режимах работы сети.

Опытно-промышленная эксплуатация с целью отработки заложенных принципов управления режимами работы сети с оценкой эффективности, а также принятия решения о широком тиражировании технологий должна проводиться на выделенных участках сети – территориальных кластерах.

Понятно, что разработать «с нуля» данный технологический комплекс дорого и сложно. На начальном этапе создания ИЭС ААС необходимо максимально использовать существующий функционал АСУТП подстанций с интеграцией на базе единой цифровой шины систем учёта, управления, защит и автоматики с использованием оптоволоконных кабелей для передачи информации в цифровом виде, а также анализом режимов работы сети на основе синхронизированных векторных измерений, позволяющих контролировать основные параметры сети (ток, мощность, напряжение, угол фазового сдвига) и обеспечивать своевременное реагирование на системные изменения с целью повышения устойчивости линий электропередачи, поддержания и перераспределения потоков активной и реактивной мощности в зависимости от режимов потребления электроэнергии.

В целом в Концепции рассмотрены условия применения значительного количества устройств новой, в т.ч. прорывной, техники и технологий, а также в ней приведены планы их разработки и установки в ИЭС ААС.

Новые виды техники, такие как гибкие электропередачи, элементы постоянного тока, ВТСП, цифровые подстанции и др., создают в перспективе качественно новые возможности для повышения надёжности и качества функционирования ЕЭС/ЕНЭС.

Предложены принципы определения мест установки новой техники, в первую очередь элементов гибких электропередач (FACTS). Дан первоочередной перечень мест их установки на межсистемных связях в ЕЭС.

Рассмотрена существующая система управления режимами работы ЕЭС РФ. Намечены пути развития современной автоматизированной системы технологического управления (АСТУ). Даны предложения по использованию новых алгоритмов анализа и управления режимами в ИЭС ААС.

Проанализированы возможности использования интерфейсов между различными элементами в ИЭС. Даны рекомендации по организации информационной безопасности (киберзащищённости) всей системы управления в ИЭС, в том числе с учётом рисков использования технологии информационного облака.

Рассмотрено участие потребителей-регуляторов (активных потребителей) в сглаживании графиков нагрузки. Даны предложения по активизации такого участия. Проработаны предложения по мотивации участия потребителей-регуляторов в этом процессе.

Приведены стоимости установки элементов ААС в РФ и за рубежом.

Просмотрены эффекты от внедрения ИЭС ААС.

Проведён анализ зарубежного опыта по развитию нормативной базы Smart Grid, стандартизации применения соответствующих технологий.

Даны предложения по развитию нормативно-правовой и нормативно-технической базы при создании ИЭС ААС в РФ.

Рассмотрены пилотные проекты по созданию интеллектуальных энергокластеров в ЕНЭС, в том числе в Московском регионе, ОЭС Северо-Запада, ОЭС Востока, а также пилотный проект интеллектуальной микросети на о. Русский.

Приведены предложения по дорожной карте создания ИЭС ААС.

Концепция ИЭС ААС скоординирована с Программой инновационного развития ФСК ЕЭС, разработанной и принятой правительственной комиссией в мае 2011года.

Выводы

1. Предложены принципиальные подходы к построению инновационной Единой национальной электрической сети, соответствующей наиболее современным требованиям развития электроэнергетики.

2. Трансформация современной ЕНЭС в ААС может произойти только во взаимосвязи с задачами развития систем управления режимами функционирования Единой электроэнергетической системы и распределительных сетей в контексте совершенствования технологий производства, передачи, преобразования, распределения и потребления электрической энергии.

3. Ключевыми элементами, определяющими отличия ААС от традиционной системообразующей сети, являются:
- применение принципов векторного измерения в реальном времени токов, напряжений и топологии сети для систем защиты, режимной и противоаварийной автоматики;
- развитие существующих, создание новых иерархических систем координации и управления перетоками мощности, регулирования частоты и напряжения, ситуационного управления электроустановками потребителей;
- разработка новых видов силового оборудования, придающих электрической сети активные свойства (маневренность, глубокое ограничение токов короткого замыкания, быстродействующее регулирование величин и углов напряжения, пропускной способности электропередачи);
- совершенствование традиционного электротехнического оборудования и электрических аппаратов с приданием качеств, соответствующих современным мировым критериям аппаратной надёжности, взрывозащищённости, пожарной безопасности, высокой заводской готовности, ремонтопригодности, наблюдаемости, способности эксплуатироваться без постоянного присутствия оперативного персонала;
- создание и развертывание современных систем мониторинга технического состояния воздушных линий (ВЛ), а также внешних природно-климатических воздействий (молниевые воздействия, гололёдно-ветровые воздействия, пожары, нагревы проводов, габариты при прохождении по лесным массивам).

4. Определены основные пути для реализации Концепции:
- максимально полное функциональное оснащение разработанных и реализуемых в настоящее время технических решений АСУТП на базе различных SCADA/EMS с установкой интегрированных в АСУТП систем мониторинга ПС и ВЛ, направленных на повышение наблюдаемости режимов работы сети и автоматизированное выполнение заложенных задач;
- создание инновационных технических решений для повышения управляемости, эффективности и надёжности функционирования электрической сети ЕНЭС с возможностью реагирования в режиме реального времени на любые расчётные возмущения в сети с учётом изменения ее топологии на основе синхронизированных векторных измерений в Программе НИОКР ОАО «ФСК ЕЭС» 2010–2016 гг.;
- создание территориальных интеллектуальных кластеров для опытно-промышленной эксплуатации инновационных технических решений и систем управления элементов и технологий ИЭС ААС в 2011–2016 гг.