Новые энергоэффективные технологии для интеллектуальных электроэнергетических систем

Основной целью энергетической политики России является «Максимально эффективное использование природных энергетических ресурсов и всего потенциала энергетического сектора для устойчивого роста экономики и качества жизни населения страны и содействия геополитической устойчивости страны». Энергетическая Стратегия 2020 ЭС 2030, одобренная Правительством РФ, формирует перед энергетическим сообществом основные векторы развития электроэнергетики, в соответствии с которыми до 2020 года будет закладываться фундамент будущей Единой Энергетической Системы (ЕЭС) России.

Звучат они следующим образом:
- переход на путь инновационного и энергоэффективного развития;
- изменение структуры и масштабов производства энергоресурсов;
- создание конкурентной рыночной среды;
- интеграция в мировую энергетическую систему.

В настоящее время основу потенциала российской электроэнергетики составляют более 700 электростанций общей мощностью 227,5 ГВт и линии электропередачи различных классов напряжений протяжённостью более 2,5 млн км.

В структуре генерирующих мощностей электростанций России преобладают тепловые электростанции, доля которых в установленной мощности составляет 68,4%, доля атомных электростанций – 10,7%, доля гидравлических станций – 20,9%.

Примерно 80% генерирующих мощностей тепловых электростанций в европейской части России работают на газе и мазуте, в то время как в восточной части России более 80% генерирующих мощностей тепловых электростанций используют уголь.

Установленная мощность электростанций ЕЭС России на конец 2010 г. cоставила 214,9 млн кВт, или почти 95% всей установленной мощности электростанций страны.

ЕЭС России является одной из крупнейших и уникальных по своей протяжённости энергосистем в мире.

За прошедшие годы электроэнергетика в целом осуществляла надёжное электроснабжение промышленности и населения электрической энергией. Обеспечивалась устойчивая работа Единой энергетической системы, поддерживались её основные параметры в пределах, установленных нормативно-техническими документами.

В то же время в энергетическом секторе экономики страны существует ряд проблем, которые требуют решения в перспективный период. Эти проблемы, безусловно, известны и обсуждались не раз на совещаниях различного уровня, а именно:
• старение оборудования и низкие темпы ввода мощности на электростанциях;
• дефицит генерирующих и сетевых мощностей в ряде регионов страны;
• крайне высокая зависимость электроэнергетики от природного газа,
• неоптимальная структура генерирующих мощностей;
• слабые межсистемные связи между ОЭС России;
• отсталые энергетические технологии, используемые на газовых и угольных электростанциях и в электрических сетях;
• отсутствие оптимальной системы управления отраслью в условиях образования многочисленных собственников электроэнергетических объектов;
• резкое сокращение научно-технического потенциала отрасли;
• существенное сокращение проектного и строительного потенциала;
• сокращение потенциала в отраслях отечественного энергомашиностроения и электромашиностроения.

До 2020 года перед энергетическим сообществом стоит сложная и амбициозная программа. За этот период ожидается:
- вывод из эксплуатации (демонтаж, консервация) физически изношенного и морально устаревшего оборудования 26 836 МВт;
- ввод новых мощностей на электростанциях 82 208 МВт;
- строительство новых ЛЭП 220 кВ и выше – 43,0 тыс. км, трансформаторной мощности – 84,5 тыс. МВт;
- реконструкция ЛЭП 220 кВ и выше – 9,7 тыс. км, трансформаторной мощности – 129,2 тыс. МВт;
- строительство ЛЭП 0,4–110 кВ – 95,3 тыс. км, трансформаторной мощности – 60,6 тыс. МВт;
- реконструкция ЛЭП 0,4–110 кВ – 156,1 тыс. км, трансформаторной мощности – 79,9 тыс. МВт.

Столь масштабное развитие электроэнергетики потребует колоссальных объёмов финансирования программы развития и модернизации – примерно 8 220 млрд руб. капитальных вложений, в том числе:
- генерирующие мощности – 4 451 млрд руб.;
- электрические сети – 3 769 млрд руб.

Хотелось бы получить ответ на вопрос, а что получит потребитель при столь значительных затратах и какую энергосистему будет иметь страна в 2030 году?

Если проанализировать внешние и внутренние вызовы в электроэнергетической отрасли, то можно выделить тренды, качественно влияющие на формирование тех или иных технических решений, применяемых при формализации комплексной программы развития электроэнергетики, а именно:
• необходимость обеспечения эффективного функционирования существующей инфраструктуры;
• формирование крупных распределённых частных однородных/смешанных энергетических холдингов со своими частными задачами обеспечения собственной энергоэффективности, зачастую не совпадающей с эффективностью отрасли в целом;
• продолжение изменений организационной структуры энергетической отрасли;
• концентрация потребления и производства электроэнергии на отдельных ограниченных территориях компактного проживания населения;
• тенденция увеличения децентрализации энерго- и теплоснабжения в связи с расширением использования источников малой и нетрадиционной генерации;
• существенная неопределённость размещения новых потребителей на территории страны;
• отсутствие комплексной технико-экономической оценки развития энергетического комплекса страны.

Подобные вызовы формировали и коллеги из разных стран на конференции GridWeek, крупнейшем международном мероприятии, посвящённом Smart Grid, которое проводилось в 2010 г. в Вашингтоне (США). В нём принимали участие в том числе и специалисты ОАО «ИНТЕР РАО ЕЭС».

Однако в дополнение к тем вызовам, которые свойственны нашей энергосистеме, были выделены и сформированы дополнительные:
• ужесточение экологических требований;
• увеличение доли распределённой малой и нетрадиционной генерации; несмотря на осторожное отношение потребителей к участию в регулировании нагрузки, доля активных бытовых потребителей возрастает;
• участие потребителей в оптимизации энергопотребления становится интерактивным;
• ожидается бум внедрения электромобилей, что приведёт к значительному росту электропотребления.

Безусловно, эти вызовы в ближайшее время, лет через 5–6, коснутся и энергосистемы России.

На круглых столах, проведённых в рамках этого мероприятия, состоялись переговоры с ведущими энергетическими компаниями США, такими как:
- Florida Power & Light Company – компания на Восточном побережье США, включающая в себя генерацию, передачу и сбыт электроэнергии;
- CenterPoint Energy – энергетическая компания из округа Техас, включающая в себя генерацию, передачу и сбыт.

Общественными и регулирующими организациями:
- Edison Electric Institute – профессиональная организация, лоббирующая интересы электроэнергетической индустрии;
- United States Energy Association – энергетическая ассоциация США производителей генерирующего оборудования;
- North American Electric Reliability Corporation – организация, отвечающая за обеспечение надёжности аварийных режимов.

Были сделаны выводы, что эти вызовы являются дестабилизирующими и значительным образом влияют на эффективность и устойчивость работы энергосистем в целом, а значит, энергосистему необходимо комплексно готовить к функционированию в новых, более сложных условиях работы.

Для решения этой задачи необходимо выработать единый комплексный подход, учитывающий все особенности энергетической системы России, на основе новых современных и перспективных критериев, основанных на инновационных теоретических подходах российских и зарубежных учёных, накопленном зарубежном опыте и планах энергетического роста развитых и новых индустриальных стран, базирующихся на новых организационных принципах и научно-технических разработках.

В декабре 2009 г. на заседании Совета генеральных и главных конструкторов, ведущих учёных и специалистов высокотехнологичных секторов экономики при Председателе Правительства РФ в числе первоочередных мер в области обеспечения безопасности и надёжности энергетических объектов была обозначена необходимость внедрения инновационных решений, в частности «Интеллектуальной энергетической Системы».

На данный момент нет чётко принятого определения «Интеллектуальной энергетической Системы». Есть только определение, сформулированное авторами «Основных положений концепции интеллектуальной энергетической системы». Оно достаточно ёмкое и звучит следующим образом: «Интеллектуальная энергетическая система (ИЭС) – совокупность электро/энергоустановок потребителей/производителей электрической энергии различных видов и объёмов производства, объединённых активно адаптивной сетью (ААС) с интеллектуальной, иерархической, высокоавтоматизированной системой управления (ИАСУ), обеспечивающей единство электрических (энергетических) режимов работы электро/энергоустановок с заданной надёжностью и требуемым качеством энергетических ресурсов». Совокупность процессов в ИЭС выделяет три основных направления интеллектуализации:
- системы управления (включая систему управления нагрузкой у потребителей);
- активно-адаптивную сеть;
- экологически чистую большую и малую (распределённую) генерацию.

Автоматизированная технологическая система управления единой энергетической системой (АСТУ ЕЭС) с иерархической структурой управления разнородных объектов требует изменения самих принципов построения систем, перехода части функций от централизованного к децентрализованному управлению, реализуемому на базе современных информационных сетевых технологий.

Связность технологической, информационной, финансовой инфраструктуры энергетической отрасли накладывает новые вызовы и формирует новые требования к комплексной системе управления ИЭС. Наличие в контурах управления различных активных в части управления энергообъектов, учёт внутренних требований по оптимизации бизнес-процессов собственников энергообъектов накладывают дополнительные непрогнозируемые риски и требования в части адаптивности энергосистемы. Управление ИЭС ААС должно обеспечивать в реальном масштабе времени оптимальное функционирование единой электроэнергетической системы в нормальных, предаварийных, аварийных и послеаварийных режимах, повышение пропускной способности сети, обеспечение критериев надёжности энергосистемы и сети в целом, а также поддержание заданных условий надёжности и показателей качества у потребителей.

Основные принципы формирования интеллектуальной системы управления в ИЭС ААС базируются на системе правил построения распределённых систем управления, расчёта и планирования энергетических и электрических режимов с использованием архитектуры многоагентных систем.

Важную роль в плане повышения адаптивности управления имеет 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.

Создание ИЭС потребует фундаментального совершенствования теории и методов управления сложными системами на основе моделирования поведения энергосистемы в различных режимных ситуациях. В новом качестве она должна представляться как сложнейшая электрическая сеть не просто с переменными, а с управляемыми параметрами – при оптимизации показателей устойчивости за счёт адаптивной настройки управляемых характеристик генерирующего и сетевого оборудования.

Для надёжного и экономичного функционирования ИЭС необходимо использовать широкий спектр новейших технических средств, обладающих возможностью придать сети активно-адаптивные качества. В рассматриваемый комплекс технических средств включаются силовое оборудование и технологические устройства подстанций и электропередачи разных типов.

Силовое оборудование и устройства включают:
- СТК – обеспечивающие регулирование реактивной мощности (напряжения), генерации и потребления реактивной мощности в диапазоне 100%, увеличение пропускной способности электропередачи, повышение устойчивости, демпфирование колебаний в энергосистеме. Могут применяться в любых электрических сетях, особенно эффективны в «слабых» сетях;
- ВПТ на базе СТАТКОМА (ВПТН) – обеспечивают несинхронное объединение энергосистем, в том числе и по межсистемным связям, относящихся к категории «слабых», сегментирование для управления токами коротких замыканий. Применяется в любых сетях;
- УУПК – обеспечивают управление пропускной способностью сети, в том числе её увеличения (вплоть до ограничения по нагреву) без нарушения условий устойчивости, а также для перераспределения потоков мощности по параллельным линиям при изменении режимной ситуации;
- ФПУ – обеспечивают оптимизацию в установившихся режимах потоков мощности по параллельным ЛЭП, повышение пропускной способности;
- АСК – обеспечивают регулирование напряжения и реактивной мощности, повышение пределов статической и динамической устойчивости, увеличение пропускной способности электропередачи, демпфирование колебаний в энергосистеме. Применяются в любых электрических сетях, особенно эффективны в «слабых» сетях;
- ТОУ – ограничение ударных значений токов коротких замыканий;
- УСВЛ-FACTS – позволяют: увеличить пропускную способность линии электропередачи в 1,2–1,6 раза, снизить суммарные потери и экологическое воздействие ВЛ, сократить площади земельных угодий, отчуждаемых под ВЛ, осуществлять принудительное перераспределение потоков активной и реактивной мощности в многоконтурных электрических сетях.

В будущем к этим перспективным технологиям добавятся сверхпроводниковые силовые трансформаторы, трансформаторы с аморфной сталью, сверхпроводниковые кабельные линии постоянного/переменного тока.

Для построения экологически чистой большой генерации основными направлениями перспективных технологий являются:

Электрическая часть:
- асинхронизированные генераторы;
- генераторы, работающие параллельно с элементами FACKS;
- генераторы, работающие параллельно с накопителями энергии различных типов;
- гидрогенераторы с переменной частотой вращения.

Далекое будущее – сверхпроводниковые генераторы.

Системы управления:
- комплексные АСУ ТП объектов генерации под единый оптимизационный критерий управления (центральные регуляторы) станциями;
- комплексные системы диагностики в реальном масштабе времени.

Тепловая часть:
За базовые могут быть приняты следующие технологии:
- чистые угольные технологии;
- угольные энергоблоки на суперсверхкритических параметрах пара (ССК);
- котлы с циркулирующим кипящим слоем (ЦСК);
- газификация угля;
- ВИР и НТВ-технологии (низкоэмиссионное сжигание каменных и бурых углей с комплексным подавлением NOх, CO и SO2 в продуктах сгорания котлов и другие технологии экологически чистого использования твердого топлива;
- газовые турбинные установки (ГТУ);
- парогазовые установки (ПГУ);
- когенерация, в том числе малой мощности (ГТ-ТЭЦ).

В Рамках работы по созданию экологически чистой генерации необходимо освоить следующие нанотехнологические продукты:
- наноструктуированные и нанофазные жаропрочные стали;
- технологии сварки и обработки, обеспечивающие сохранение наноструктурного состояния нанофазных жаропрочных сталей.

В части экологии приоритетными направлениями работы являются утилизация отходов и очистка технической воды.

Работы по созданию и реализации перехода из текущего состояния ЕЭС России к ИЭС требуют не только создания и внедрения новых технологических и организационных решений, но и серьёзного совершенствования нормативно-правовой и законодательной поддержки принимаемых решений. Первым шагом, осуществлённым энергетическим сообществом к реализации инновационного развития, можно считать создание НП «Центр инновационных технологий в электроэнергетике», основными задачами которого будут являться:
• координация инновационного развития отрасли;
• координация программ НИОКР энергетических компаний;
• межотраслевая координация крупных энергетических проектов;
• координация проектов по локализации новых технологий на территории РФ;
• методологическое обеспечение обоснования внедрения инновационных решений в электроэнергетике.

В заключение ещё раз хотелось сказать, что реализация масштабных планов по развитию, реконструкции и техперевооружению энергетических объектов нецелесообразна без новой идеологии построения энергетических систем. Технико-экономическое обоснование применения современных технологий производства передачи и распределения электроэнергии должно носить комплексный характер. При комплексном подходе в том числе должны учитываться риски и дополнительные затраты инвесторов на развитие ЕЭС, которые они несут, применяя передовые, как правило, дорогие технологии. А значит, должны быть разработаны механизмы возврата финансовых ресурсов. Энергетическая система нового типа (ИЭС) и структура взаимоотношений в ней даст толчок развитию рынка системных услуг.

Литература
1. Энергетическая Стратегии 2020 РФ.
2. «Корректировка Генеральная схема размещения объектов электроэнергетики России до 2020 года с учетом перспективы до 2030 года» - ОАО АПБЭ;
3. «Программа модернизации электроэнергетики России до 2020года» - ЭНИН, руководитель работы академик Волков Э.П.;
4. «Основные положения концепции Интеллектуальной энергетической системы» под редакцией Дорофеева В.В;
5. Научно-технический отчет «Материалы в концепцию развития ИЭС с ААС» - ИПУ РАН.