Первый опыт компании General Electric в реализации проектов Smart Grid

Сегодня техническое развитие на мировом энергетическом рынке проходит под девизом «Чище, эффективнее, умнее!». Правительства многих стран стимулируют развитие распределённой и микрогенерации, внедрение возобновляемых источников энергии, а также более эффективное потребление электроэнергии. По прогнозам, доля «чистых» генерирующих мощностей в некоторых развитых странах может достигнуть 40% от общего объёма генерации уже в ближайшие годы. Изменяется и профиль нагрузки – появляется все больше «умных» домов, в которых есть свои небольшие источники электроэнергии, системы хранения, а также системы управления потреблением. Не стоит на месте и индустрия автомобилестроения – по прогнозам правительства США, к 2020 году в стране будет насчитываться более 3,5 миллионов автомобилей с электротягой.

Все эти факторы приводят к необходимости внедрений новых технологий и бизнес-процессов в сетевых компаниях, которым требуется эффективно управлять сетью с учётом присутствия новых технологий. Эффективным решением данной задачи является «интеллектуализация» сети – переход к концепции Smart Grid.

Что же такое «интеллектуальная» сеть и какие первые выводы и аспекты можно отметить из опыта, полученного при внедрении General Electric пилотных проектов?

Ключ к «интеллектуализация сети» лежит в интеграции двух инфраструктур – информационной и электрической. Они обе должны работать совместно, в непосредственной зависимости друг от друга, для достижения желаемых результатов.

Надо отметить, что основная часть инновационных технологий в рамках концепции «интеллектуальной» сети Smart Grid ложится на уровни бизнес-приложений и оперативного управления, так как большую роль играет оптимизация, основанная на высокоуровневых расчётах. Например, для работы с распределённой генерацией и возобновляемыми источниками энергии используются программные продукты, позволяющие эффективно прогнозировать и рассчитывать режимы работы, а системы онлайн-мониторинга с расчётными моделями и системы управления активами позволяют продлевать ресурс работы основного оборудования и более точно направлять и аргументировать инвестиции на ремонты и капитальное строительство.

Изменения происходят и в процессах работы сетевых компаний. К примеру, в сетях текущего поколения локализация повреждений на линиях электропередачи осуществляется при помощи звонков от потребителей электроэнергии и SCADA-систем. В «умных» сетях, при наличии системы учёта, основанной на «умных» счётчиках, локализовать повреждение можно очень быстро и точно, а следовательно, и быстро их восстановить. Также «умный» учет в паре с эффективными системами управления спросом DMRS и соответствующей тарифной политикой позволяет потребителям самим решать, как и когда потреблять, – соответственно, уменьшить базовое потребление электроэнергии, а также «размазать» и снизить пиковые нагрузки, что ведёт к существенному снижению капитальных затрат за счёт отсутствия необходимости закладывать избыточность в первичное оборудование для отработки пиковых нагрузок.

Но «интеллектуализация» сети – это внедрение большого количества различных «умных» систем и оборудования, которое, как показывает опыт, несёт в себе и определённые трудности. Поэтому мне хотелось бы рассмотреть более подробно опыт, который получила компания General Electric, работая над данной задачей.

Сегодня компания участвует в реализации ряда проектов Smart Grid в США – Energy Smart Miami, American Electric Power, Pacific Gas and Electric, Мауи Гавайи, а также проектов в Канаде и Великобритании. Но сам по себе проект «интеллектуализации» сети – очень сложный процесс, и не так часто он реализуется как интегрированное единое целое – в основном сетевые компании внедряют те или иные системы, наращивая интеллектуальную составляющую. Поэтому можно сказать, что практически все компании, поставляющие решения для электросетевого рынка, участвуют в данном процессе. Активная работа идёт и в Российской Федерации – внедряются системы оперативно-диспетчерского управления, системы управления активами, «умные» счётчики и прочие решения, – и, как и в других энергетически развитых странах, российский электросетевой рынок имеет свои особенности.

Однако интегрированные проекты существенным образом отличаются от проектов, идущих путём «наращивания». Поэтому хотелось бы более подробно остановиться на крупнейших проектах, в которых участвует компания General Electric.

Проект Energy Smart Miami в данный момент находится уже в финальной стадии реализации и является одним из важнейших проектов для компании. Стоимость проекта оценивается в 200 млн долларов США и затрагивает более одного миллиона потребителей. Основными задачами данного проекта являются:
- возможность дать потребителю оценивать и управлять своими затратами на энергетическое снабжение и, соответственно, снизить базовые и пиковые нагрузки;
- существенно сократить эксплуатационные расходы сетевой компании;
- увеличить надёжность и эффективность работы сети.

В работе по реализации проекта принимает участие ряд крупных компаний, таких как General Electric, CISCO, FPL, Silver Spring Networks, а также администрация города Майами. В рамках данного проекта планируется установить «умный» учёт на основе Smart-счётчиков с системой управления потреблением DMRS и информационным порталом для потребителей, автоматизировать работу по управлению распределительной сетью и аварийно-восстановительными бригадами на основе системы DMS PowerOn ENMAC, а также расширить функционал данной системы для более эффективного управления распределённой генерацией и полностью автоматизировать все подстанции, доведя долю телеуправления в сети до 90–95%.

Переход на «умный» коммерческий учёт должен быть осуществлён до конца 2012 года. Планируется подключить примерно 966 тысяч бытовых потребителей и более 85 тысяч коммерческих. Также для оценки эффективности использования дополнительных устройств в системе учёта будет выбрано 1000 потребителей, которым в домах будут установлены 500 устройств отображения информации о потреблении и 500 контроллеров для отображения и управления потреблением. Дополнительно будет выбрана группа из 50 потребителей, которым установят устройства отображения, интегрированные с удалённым контроллером. Для того чтобы оценить эффект от данных устройств, администрация города совместно с сетевой компанией установят специальные «стимулирующие» тарифы. На основе собранной статистики за год будет принято решение о том, какое из вышеперечисленных устройств использовать, и использовать ли их вообще.

Параллельно с внедрением системы учёта идёт модернизация первичного оборудования и автоматики полевого уровня. В трёх районах города, которые питаются от более чем 80 фидеров, установлено 56 телеуправляемых коммутационных аппаратов, 147 контроллеров систем компенсации реактивной мощности, 119 устройств мониторинга выключателей и более 100 детекторов повреждения, датчиков тока и напряжения. Девять распределительных подстанций в данных районах будут полностью автоматизированы и подключены к диспетчерскому пульту управления.

За последние 20 лет количество ураганов, проходящих через штат Флорида, возросло в несколько раз. В таких условиях сохранить бесперебойную работу централизованного электроснабжения очень сложно, аварии в период штормов случаются крайне часто и сетевым компаниям требуется немало времени на их устранение. В связи с этим администрация города Майами начала реализацию программ по внедрению возобновляемых источников энергии и распределённой генерации, которые должны существенно повысить надёжность электроснабжения города и сократить количество вредных выбросов. Предпочтение было отдано солнечным батареям. В итоге на 11 объектах по всему городу внедряется целая системы устройств мощностью от 5 до 50 кВт.

Также в рамках программы сокращения вредных выбросов было принято решение стимулировать использование электромобилей. Уже в ближайший год будет установлено 50 новых электрозаправочных станций, как в самом городе, так и на ключевых объектах за его пределами – в университете, колледже Майами и Международном университете Флориды. Компания FPL также принимает активное участие в данной программе и к 2012 году планирует заменить часть парка своих автомобилей, примерно 300 штук, на «электрокары».

Ещё одним крупным проектом внедрения «Интеллектуальной сети» для General Electric является проект American Electric Power Smart Grid. В рамках этой работы заказчик в лице AEP и исполнитель General Electric работают как партнёры. Это помогает обеим сторонам наиболее полно оценить все преимущества, недостатки и трудности использования концепции «интеллектуальной» сети для развития электросетевой компании. Данный проект активно поддерживается и контролируется правительством США. Так как AEP является крупнейшей сетевой компанией на территории Соединенных Штатов – более 5,3 млн потребителей, около 70 тысяч км передающих линий и более 380 тысяч км распределительных линий, – масштабы данного проекта обусловили поэтапное внедрение и достаточно долгий срок реализации. Этапы делятся по территориальному принципу, область за областью, а полное окончание проекта планируется в 2016 году.

Основными задачами данного проекта являются:
- возможность дать потребителям увидеть, как они потребляют, и управлять процессом, а сетевой компании – снизить нагрузку;
- сократить потери в сети и повысить надёжность электроснабжения;
- снизить эксплуатационные расходы на обслуживание сети.

В рамках проекта планируется внедрить:
- единую для всех диспетчерских центров распределительных сетей систему оперативного диспетчерского управления DMS PowerOn ENMAC, в составе которой будут модули расчётов режимов сети DPA + DPF, автоматического восстановления неповреждённых сегментов FDIR, управления напряжением и реактивной мощностью IVVC. Все системы DMS будут передавать данные о распределительной сети в систему диспетчерского управления передающей сетью EMS, в которой будет рассчитываться баланс генерации и нагрузки, прогноз нагрузки и т.д.;
- модуль управления отключениями OMS с колл-центром, функционал которого постепенно, по мере установки, возьмут на себя «умные» счётчики. Данная система позволит эффективно локализовать и оперативно устранить аварии в распределительной сети;
- система управления потреблением DMRS, которая на основе получаемых данный от счётчиков поможет строить прогнозы потребления и эффективно взаимодействовать с потребителями;
- существенно расширить функционал системы управления активами и геоинформационной системы, пополнив их данными от систем мониторинга и диагностики, а также внедрив модуль управления мобильными ремонтными бригадами.

Все высокоуровневые системы должны быть полностью интегрированы между собой, т.е. надо использовать единую модель сети.

Полевой уровень также подвергнется модернизации – планируется увеличить автоматизацию подстанций на 5%, увеличить количество телеуправляемых выключателей и реклоузеров на 5% и оборудовать все ключевые трансформаторы системами онлайн-мониторинга.

На текущий момент оба вышеописанных проекта находятся в стадии реализации и о результатах пока ещё рано говорить, так как для полноценной оценки потребуется несколько лет работы. Но уже сейчас можно сделать ряд важных замечаний и выводов, как с точки зрения технологий, так и относительно самого процесса внедрения концепции «интеллектуальной» сети Smart Grid.

Повышая интеллектуальную составляющую сети, нельзя забывать и об основном оборудовании. Большой объём активов, используемых сетевыми компаниями на данный момент, устарел и имеет высокий коэффициент износа. Наладить управление устаревшим оборудованием – сложная и трудоёмкая задача, которая зачастую препятствует достижению поставленных результатов. Поэтому обязательно требуется на этапе моделирования и ТЭО найти баланс между инвестициями в «интеллектуальную» инфраструктуру и модернизацию основных активов сетевой компании.

Часто возникают трудности на последних этапах проекта, потому что ожидания заказчика относительно той или иной внедрённой системы не оправдываются. Это происходит, когда на этапе выбора решений не полностью изучены функционал выбранных систем и существующие бизнес-процессы компании. Работая над моделированием проекта, а также выбирая решения, необходимо совместно с заказчиком детально рассмотреть, как функционал систем соотносится с бизнес-процессами, и планировать внедрения исходя из найденного компромисса между возможными изменениями в существующих процессах и адаптацией систем под них.

Также хотелось бы отметить некоторые важные технические аспекты, которые могут наложить существенные ограничения на возможность реализации проекта. Прежде всего это коммуникационная инфраструктура. «Интеллектуализация» сети требует широко распределённой и достаточно надёжной связи на полевом уровне. В данном случае скорость каналов передачи данных не так критична, так как данные коммуникационные сети используются для сбора информации с «умных» счётчиков и управления удалёнными устройствами (реклоузеры, БСК и т.п.). На текущий момент наиболее часто используются каналы PLC, GPRS и радиосвязи, но постепенно, с наращиванием покрытия, всё больше и больше удаётся использовать технологию WiMax. В основном при реализации проекта используется комбинация этих технологий для достижения наилучших результатов. При переходе от устройств полевого уровня к системам верхнего уровня требования к связи меняются – скорость и надёжность передачи данных становятся очень важными факторами, часто данные должны передаваться на большие расстояния, вплоть до тысяч километров. Если оценить скорости передачи данных, то минимум находится на уровне 2 МБит/c, но желательно иметь 10 МБит/c и более. К сожалению, даже в развитых странах очень непросто организовать надёжные каналы связи на большом расстоянии даже на скорости 2 Мбит/c.

Ещё одна проблема становится все более актуальной – объём и безопасность данных. Масштабы проектов «интеллектуализации» сети подразумевают огромное количество различных устройств и систем, которые собирают информацию, консолидируют её и обмениваются ей. Одна задача – собрать все эти данные и ещё одна, не менее сложная, – обработать их и сохранить. В разных электронных хранилищах быстро накапливаются огромные объёмы различной информации, что приводит к дополнительным затратам на аппаратное обеспечение, а также может создавать дополнительную нагрузку на каналы связи. Один из вариантов решения данной проблемы – переход к использованию экспертных баз знаний, что поможет существенно снизить хранимые объёмы. К сожалению, несмотря на то что активно ведутся разработки в данном направлении, сегодня готовых решений ещё нет. Оценивая текущую ситуацию в мире, многие компании стали задумываться на тему безопасности каналов и самих данных Однако все столкнулись с проблемой, что нет чётко прописанных стандартов, принципов и требований по кибербезопасности, поэтому в данный момент компании-интеграторы решают данный вопрос каждый по-своему.

В Smart Grid-проекте обычно используется большое количество систем и оборудования от разных производителей. Это приводит к тому, что одной из ключевых задач проекта всегда является интеграция. Идеальной является архитектура, при которой все системы верхнего уровня используют единую модель данных электрической сети, выполняя разные функции. При таком подходе вероятность возникновения ошибок на уровне интеграции минимальна. Но, к сожалению, добиться такой архитектуры с текущим уровнем наработок производителей крайне непросто. Поэтому для дальнейшего успешного развития концепции «интеллектуальных» сетей всем производителям решений и оборудования потребуется основываться на стандартных протоколах и открытой архитектуре (CIM, IEC850 ) и наиболее полно использовать принцип «plug and play».

Также при реализации интеграции возникает масса трудностей с наложением функционала решений на бизнес-процессы компании, так как зачастую разные системы попадают под ответственность разных департаментов и подразделений, между которыми существуют достаточно сложные процессы взаимодействия.

У заказчика при реализации проектов Smart Grid тоже возникают определённые трудности. Основная из них – повышение квалификации персонала. Диспетчеры, ремонтные бригады, менеджеры должны знать функциональные возможности систем и уметь использовать их. Этот процесс требует больших затрат и усилий, но на первых этапах дефицит квалифицированного персонала неизбежен. Требуется также проводить большую работу по формализации изменений в бизнес-процессах компании. В связи с огромным объёмом информации большая дополнительная нагрузка ложится на плечи отделов IT и обеспечения связи, к ней нужно быть готовыми.

Ещё одной важной задачей является популяризация новых принципов работы среди потребителей. Они должны понимать, как нужно управлять собственным потреблением, а самое главное – зачем.

Какой же в итоге подход к внедрению проектов «интеллектуализации» сети использует компания General Electric?

Прежде всего хочется отметить, что процесс внедрения происходит не единовременно и не за короткий промежуток времени – он занимает годы и зависит от многих факторов! Реализация происходит инкрементально, постепенно внедряются и интегрируются различные системы, происходит наращивание интеллектуальной составляющей сети. Как мы уже отметили ранее, существует два различных подхода к внедрению – интегрированный проект и внедрение отдельных технологических решений. На первый взгляд отличий не так много, но они есть, и очень существенные. Каждая из внедряемых систем решает те или иные задачи, а совокупность систем существенно усложняет картину возможных результатов. При интегрированном подходе задачи ставятся на основе стратегических планов развития сетевой компании и её текущих задач, с учётом существующей базы внедрённых систем и активов, для всего проекта целиком. А он может включать в себя различные интегрированные системы в зависимости от желаемых результатов. При внедрении отдельных систем решаются локальные задачи и зачастую упускается и не просчитывается эффект от работы всех систем при их взаимодействии и с учётом уже существующих наработок.

При использовании интегрированного подхода компания General Electric обычно рассматривает процесс внедрения следующим образом:
- на первом этапе заказчик и исполнитель создают экономическую модель внедрения концепции «интеллектуальной» сети, учитывая результаты, которых хотелось бы добиться, а также текущие характеристики сети, уже внедрённые системы, финансовую ситуацию. Данное моделирование занимает до 6 месяцев и требует большой работы по сбору исходной информации. Оно позволяет получить экономическую оценку проекта, а также составить ТЭО. У GE существует авторская модель, которая разрабатывалась для оценки перехода сетевых компаний на работу с концепцией Smart Grid совместно с компанией McKinsey&Co. Она применялась для просчёта практически всех текущих Smart Grid-проектов компании;
- на втором этапе по результатам моделирования и для достижения желаемых результатов выбираются технические решения – системы, способы интеграции и взаимодействия. Создаётся детальное техническое задание. Также оцениваются текущие бизнес-процессы заказчика и планируется объём изменений в них, таким образом, чтобы наиболее эффективно использовать выбранные решения;
- далее заказчик и исполнитель создают план внедрения как технических систем, так и изменения бизнес-процессов заказчика и обучения всех вовлечённых в работу сторон – руководителей, персонала, потребителей;
- последний этап – переход к непосредственной реализации проекта на основе созданного плана. Создание технического совета, состоящего из представителей всех сторон: заказчика, исполнителя, субподрядчиков и основных поставщиков. В данном совете должны участвовать не только технические специалисты и идеологи, но также менеджеры и логисты. Обязательно требуется разработать систему отчётности о ходе выполнения работ и систему управления рисками. Опыт показывает, что ошибки, выявленные на поздних стадиях реализации проекта, стоят на порядок больше, а с учётом масштаба проектов внедрения «интеллектуальных» сетей расходы на их исправления могут быть просто колоссальными.

Обязательно нужно отметить ряд важных для реализации интегрированного проекта аспектов. Любой проект внедрения концепции «интеллектуальной» сети потребует немалого финансирования. Мировой опыт показывает, что для успешного внедрения требуется как участие собственного капитала сетевой компании, так и финансовая поддержка правительства и финансовых институтов. Во многих странах в данный момент реализуются программы правительственной поддержки развития распределённой генерации на базе возобновляемых источников энергии, а также программы «интеллектуализации» сетевой инфраструктуры. Немаловажным является и чёткая корреляция бюджета и плана проекта, так как любые минимальные задержки очень сильно сказываются на ходе внедрения в целом.

Помимо финансовой составляющей требуется поддержка на административном и законодательном уровнях. Без эффективных методов регулирования на рынке электроэнергии и соответствующей тарифной политики, стимулирующей потребителей расходовать «по-умному» и дающей сетевым компаниям заинтересованность инвестировать в развитие сетевой инфраструктуры, невозможно добиться высоких результатов.

Нужно упомянуть, что в данный момент ни одна компания в мире не способна в одиночку реализовать крупный проект по полной «интеллектуализации» сети. Ключом к успеху могут быть альянсы крупных компаний – например, City of Miami, CISCO, GE, FPL – в проекте Smart Grid Miami. Это позволяет снизить финансовые риски, получить оптимальные технические решения от лидеров в своей области и существенно сократить сроки внедрения.

Таким образом, на основе опыта, полученного компанией General Electric, можно отметить, что для успешного внедрения проектов по «интеллектуализации» сети требуется чёткое понимание результатов, которых хотелось бы добиться; активная работа со стороны заказчика; поддержка проектов на уровне правительства; использование производителями решений на основе стандартных протоколов и открытой архитектуры.

Плотная совместная работа заказчика и исполнителя на всех этапах проекта – от создания ТЭО и до внедрения последней системы – это ключ к успеху!