Перспективы развития «умных сетей»
 
Энергетика

Перспективы развития «умных сетей»

Применение новых технологий  предполагает качественно  новый подход к организации управления  энергосистемой. Во-первых, в самой энергосистеме создаются предпосылки для широкого внедрения  основного оборудования, повышающего маневренность и управляемость сети: гибких связей, передач и вставок постоянного тока, накопителей энергии, РПН и т.п. Во-вторых, для управления сетью создается высокопроизводительная информационная инфраструктура, позволяющая в реальном масштабе времени выдавать ситуационную информацию операторам сети, давая возможность тем самым им предпринимать упреждающие действия  по восстановлению нормальных условий.

При создании интеллектуальных сетей осуществляются новые подходы:  переход к новой сети производится снизу (постепенный переход от автоматизации и модернизации отдельных подстанций и мелких энергообъектов к управлению всей энергосистемой) и широко — сразу в неограниченном количестве мест крупного энергообъединения, причем внедрение средств автоматизации  и нового энергетического оборудования производится в условиях, когда старое оборудование может оставаться в эксплуатации вплоть до полного исчерпания своих ресурсов. Для обеспечения возможности такого  развития энергосистем первый этап создания интеллектуальной сети заключается в разработке системы стандартов, интерфейсов и типовых структур, которые позволили бы энергосистеме постепенно развиваться в одном заданном направлении — использовании более гибких инструментов управления энергетическим  режимом и создании скоростной инфраструктуры управления информационными потоками.

В настоящее время проекты смарт-сетей разрабатываются в Европе (VLPGO), США — проект Intelligrid-сеть, EPRI. В Азии также осуществляются  различные проекты развития национальных сетей Японии, Индии и Китая с учетом принципов смарт-сети.


ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КОНЦЕПЦИИ SMART GRIDS

Умная энергосистема — это электрическая  сеть, объединяющая всех пользователей, связанных с ней, — генерацию, потребителей и тех, которые являются и генерацией и потребителем, для обеспечения надежного, эффективного и экономичного энергоснабжения.

Умная энергосистема использует инновационные продукты и услуги, такие, как интеллектуальный контроль,  управление, передача информации  и самовосстановление для обеспечения подключения генерации  всех объемов и технологий, предоставления возможности потребителям  участвовать в оптимизации работы энергосистемы, обеспечения  потребителей большей информацией  об их энергоснабжении, значительного уменьшения воздействия  на окружающую среду, обеспечения повышенных уровней надежности и безопасности энергоснабжения.

В докладе Modern Grid Initiative report департамента United States Department of Energy’s говорится о том, что современная smart grid должна обладать следующими функциями, представленными в таблице.

ЦИФРОВАЯ ПОДСТАНЦИЯ

Комитет МЭК TC57 создал семейство  международных стандартов, которые могут использоваться как часть Smart grids. Эти стандарты включают МЭК 61850, определяющий  стандарты по автоматизации подстанции, и МЭК 61970/61968 — общая информационная модель (CIM). CIM предусматривает общую семантику, которая будет использоваться  для того, чтобы превратить данные в информацию. Также IEEE был разработан стандарт, поддерживающий  работу устройств мониторинга  переходных режимов PMU, — C37.118.

За последнее десятилетие резко возросло использование «цифровых» данных. Распределительные подстанции,  электростанции, промышленные, коммерческие и даже бытовые потребители выражают различные аспекты своей жизнедеятельности в цифровом виде. Возникла необходимость  новой информационной модели коммуникации для управления  большим количеством устройств и связи различных устройств друг с другом. Стандарт МЭК 61850 — это результат многолетней работы электроэнергетических компаний и поставщиков оборудования по созданию унифицированных систем связи.

Сегодня стандарт МЭК 61850 отвечает на большинство вопросов, которые возникают в связи с цифровыми преобразованиями, а именно стандартизация имен данных, создание  полного набора служб, реализация  стандартных протоколов и технических средств и определение шины процесса. Стандарт отражает функциональную совместимость оборудования от разных производителей с установленными процессами сертификации на соответствие. Стандарт  МЭК 61850 становится предпочтительным,  потому что сетевые компании всего мира переходят к решениям на основе вычислительных сетей для подстанций.

С момента выхода стандарта МЭК 61850 прошло 5 лет. На его базе за это время было выполнено много проектов цифровых подстанций в разных странах мира, однако потенциал стандарта до сих пор до конца не раскрыт.

Наибольшие успехи достигнуты  сегодня в области интеграции устройств в системы АСУ ТП, а также обмене GOOSE сообщениями. Однако  использование стандарта просто как протокола обмена данными с устройствами далеко не исчерпывает его потенциальные возможности. Основным нововведением МЭК 61850 является модель данных, принятая в стандарте, которая по охватываемым функциям не имеет аналогов в других стандартах МЭК. Именно структурность МЭК 61850 и выделяет стандарт. Новым в этом стандарте является попытка создать язык формального описания подстанции — SCL. Эта часть стандарта поднимает его с нижнего уровня работы с устройствами на уровень энергетического объекта и позволяет по-новому взглянуть на способы проектирования  объекта. К сожалению, многие возможности стандарта, например, такие, как создание спецификации подстанции, пока еще не востребованы. Однако именно за этими возможностями будущее. Спецификация подстанции задает ее структуру с точностью до каждого электрического соединения и логической функции, что позволяет использовать ее для создания однолинейных схем, расчетных  задач, моделирования, автоматизированного  проектирования и конфигурирования и т.д.

Зарубежный опыт внедрения систем на базе стандарта МЭК 61850 показывает, что на современном этапе необходимо повышенное внимание к вопросам надежности всего цифрового комплекса устройств подстанции. Для этого они должны проходить вначале тестирование на функциональное соответствие стандарту. Помимо разовых сертификационных испытаний. должны быть организованы  длительные испытания на надежность, которые наиболее целесообразно проводить в полной схеме действующей подстанции в реальных эксплуатационных условиях. Этим испытаниям должны подвергаться в первую очередь цифровые источники информации. Для решения этих задач целесообразно, по опыту США, создание  пилотной цифровой подстанции, оборудованной полным комплектом цифровых измерительных устройств и микропроцессорных устройств защиты, регулирования и измерений.


WAMS (WIDE AREA MEASUREMENT SYSTEM)


Одним из приоритетов технологического  развития крупнейших энергосистем мира является создание  и внедрение в практику их эксплуатации систем мониторинга переходных режимов (СМПР), получивших  за рубежом название Wide Area Measurement Systems (WAMS). Эти системы используются для повышения  уровня информационного обеспечения и качества управления режимами энергообъединений. Особенностью  СМПР является высокоточная  временная синхронизация измерений параметров режимов с использованием передаваемых со спутников сигналов точного времени и высокая дискретность регистрации  параметров, что и определяет широкий спектр их применения. Наибольший эффект СМПР дают при анализе причин и последствий технологических  нарушений и системных аварий, при верификации динамических  моделей ЭЭС, при оценивании состояний режимов ЭЭС, визуализации текущего состояния режима и решении задач информационного  обеспечения оперативнодиспетчерского управления.

В настоящее время в ЭЭС США установлено более 200 PMU, и в ближайшие 5 лет количество установленных регистраторов достигнет 500 единиц. Разработка принципов  мониторинга и управления режимами энергообъединений США осуществляется в рамках двух научно-исследовательских проектов Системными операторами при участии  ряда университетов с целью повышения уровня информационного  обеспечения управления ЭЭС в зависимости от результатов мониторинга. Работы проводятся по направлениям:
• повышение качества оценки состояния;
• оптимизация размещения источников реактивной мощности;
• визуализация;
• предотвращение, идентификация и смягчение последствий каскадных аварий;
• оценка параметров низкочастотных колебаний;
• оценка уровней устойчивости по напряжению;
• оценка динамических моделей.

Система распределенного мониторинга параметров режимов в ЭЭС Западной Европы начала создаваться в середине 90-х годов, и в настоящее  время в UCTE установлено и интегрировано в WAMS свыше 50 регистраторов. Большая работа по созданию и развитию WAMS ведется в ЭЭС Китая, Бразилии, Мексики, Кореи, Японии, Индии.

СМПР ЕЭС/ОЭС России состоит из регистрирующих приборов, систем обмена информацией между концентраторами  данных и центрами управления, а также средств обработки  полученной информации. Регистраторы установлены в крупных  энергоузлах, на межсистемных связях, электростанциях вторичного регулирования. В 2008 г. в ОДУ Урала введена в опытную эксплуатацию Система мониторинга запасов устойчивости  северных районов Тюменской области (СМЗУ СРТО).


ГИБКИЕ СВЯЗИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА


Новые решения в области сверхпроводимости,  хранения, силовой электроники и компонентов диагностики  изменяют фундаментальные способности и особенности сетей. Технологии в пределах данной категории включают гибкие передачи  переменного тока FACTS (Flexible Alternating Current Transmission), постоянный ток высокого напряжения, кабель сверхпроводимости  высокой температуры, полупроводники, силовую электронику.

В процессе развития мировой энергетики возникли новые проблемы,  связанные с потребностью увеличения  управляемости энергообъединений. Повышения управляемости требуют децентрализация управления, введение дерегулирования (особенно  интенсивно внедряемое за рубежом), недостаточная пропускная  способность межсистемных и системообразующих линий электропередачи (характерная для России), недостаточный объем устройств регулирования напряжения и реактивной мощности, неоптимальное распределение  потоков мощности по параллельным  линиям электропередачи разного класса напряжения и т.д.

В связи с внедрением технологий Smart grids было предложено использовать  в энергетике новые способы управления, получившие общее название «гибкие связи переменного тока» (Flexible AC Transmission System FACTS). В настоящее время под устройствами FACTS понимается вся совокупность устройств, устанавливаемых в электрической сети и предназначенных  для стабилизации напряжения,  повышения управляемости, оптимизации потокораспределения, снижения потерь, демпфирования низкочастотных колебаний, повышения  статической и динамической устойчивости, оптимизации потокораспределения, а в итоге — повышения пропускной способности сети и снижения потерь.

Применение гибких связей позволяет  осуществить полную управляемость  отдельных связей и сечений ЕНЭС и обеспечить несинхронное объединение энергосистем с целью:
• повышения живучести энергообъединения;
• обеспечения независимого от внешних условий управления перетоком мощности во всем диапазоне, ограниченном лишь установленной мощностью устройства;
• обеспечения возможности объединения  сколь угодно мощных энергосистем электрической связью  с ограниченной пропускной способностью;
• обеспечения возможности международного  объединения национальных  энергосистем с различными  характеристиками систем регулирования частоты и мощности,  в том числе и с разными стандартами частоты, с различной организацией диспетчерского управления,  с разными системами защиты и противоаварийной автоматики  и рядом других особенностей.

Широкое применение FACTS позволяет  существенно изменить и улучшить свойства магистральной сети, приближая ее характеристики к требуемым для Smart grids.

РАЗВИТИЕ ФУНКЦИЙ ИЗМЕРЕНИЙ, ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ

Основное назначение систем измерения нового поколения — обеспечение стабильности сети, контроль состояния оборудования, предотвращение хищения энергии и поддержка стратегий управления. Технологии включают передовые микропроцессорные счетчики (Smart счетчики) и оборудование для чтения данных с них, системы мониторинга широкой области, динамическую оценку параметров линии, оценивание состояния в реальном времени и цифровые реле.

Предотвращение и ограничение опасных возмущений в энергосистеме  с целью обеспечения ее живучести  требует реализации следующих условий: выявление в темпе процесса возникающих нештатных и аварийных  ситуаций, перераспределение ресурсов для минимизации опасных последствий, координированная реакция на возмущения, минимизация потерь от аварии и времени восстановления работоспособности сети.

Усовершенствование систем контроля и управления особенно важно после системных аварий последних лет, нанесших разным странам убытки в миллиарды долларов.

Основа управляющей системы — информационная сеть с распределенными  средствами контроля, анализа и управления. Такая система  с интеллектуальными звеньями позволяет иметь большую точность, избирательность решений и скорость  действия, чем это может реализовать  оператор. Для задач верхнего уровня, как правило, требуются более общие исходные данные, для нижнего уровня — более локальные.

Для медленных циклов, более 2с, требуется значительный объем вычислений большего объема данных — координированный контроль, оптимизация режимов, выбор стратегии  управления. Для этих циклов характерен более высокий уровень интеллектуальной обработки. Для быстрых циклов необходима быстрота реакции на местах, подстанциях и станциях.

Непосредственная прибыль от внедрения  подобных систем — снижение  перерывов в энергоснабжении и расширение оперативных возможностей  по управлению режимом. Внедрение технологий «самовосстанавливающейся» сети позволит, в частности, отложить ее расширение в условиях бюджетных ограничений.


ЗАМКНУТЫЕ СЕТИ, «МИКРОСЕТИ», DSM (Demand Side Management) —
УПРАВЛЕНИЕ СО СТОРОНЫ НАГРУЗКИ, ON-LINE СЕРВИСЫ


В будущем работа системы будет разделена между централизованными  и распределенными генерирующими  мощностями. Управление распределенными генераторами может  быть собрано в единое целое, образовывая микросети (microgrid) или виртуальные электростанции, интегрированные как в сеть, так и в рынок. Это повысит роль потребителя в управлении энергосистемой. Как централизованная сеть, микросеть может генерировать, распределять и регулировать поток электричества потребителям. Микросети могут быть связаны друг другом и с большой сетью, которая позволит им поддерживать друг друга — и поддерживать центральную сеть в случае увеличения потребности в электроэнергии.

Умные микросети позволяют получать электроэнергию от возобновляемых источников энергии. Поскольку микросети включают локальные источники резервного питания и аккумулирования энергии, они увеличивают гибкость, для подключения более широкого диапазона источников энергии, включая те, интеграция которых представляет собой проблему  для централизованной системы, такие, как ветровые и солнечные.


SMART GRID ЗА РУБЕЖОМ


Во всех проектах Smart grids учитываются географические различия в энергетических приоритетах. Быстрее всего возникают проблемы в энергетических отраслях тех стран, где расширение генерирующих мощностей происходит наиболее высокими темпами: в Китае, Индии и других развивающихся странах. Разумеется, есть свои трудности и в развитых индустриальных странах, поскольку Европа и Северная Америка остро заинтересованы в создании альтернативных источников энергии и изучают возможности использования энергии океана, ветра и солнца.

По мнению многих аналитиков, следующие 20 лет станут эпохой массового  внедрения интеллектуальных сетей. Помимо стремительного развития  технологий, есть и ряд других факторов, подталкивающих рынок именно в этом направлении. По оценкам ElectroPower Research Institute, ближайшие два десятка лет только в США на реализацию проектов Smart grids будет истрачено около 160 млрд долл., а в мире суммарные инвестиции в эту сферу превысят 500 миллиардов. В первую очередь внедрение интеллектуальных сетей будет происходить  в таких странах. как США, Индия, Китай и Япония.


(Продолжение в № 2, сентябрь-октябрь, 2010)

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно