ОТЧЕТ о формировании СПИx
advertisement
ОТЧЕТ о разработке стратегической программы исследований технологической платформы «Интеллектуальная энергетическая система России» Москва 2012 1 Содержание Раздел Введение Стр. 3 Раздел 1. Текущие тенденции развития рынков и технологий в сфере деятельности платформы 4 Раздел 2. Прогноз развития рынков и технологий в сфере деятельности платформы 16 Раздел 3. Направления исследований и разработок, наиболее перспективных для развития в рамках платформы 45 Раздел 4. Тематический план работ и проектов платформы в сфере исследований и разработок 51 Раздел 5. Мероприятия в области создания результатов интеллектуальной деятельности и управления их распределением 52 Раздел 6. Меры в области подготовки и развития научных и инженерно-технических кадров 52 Заключение 53 2 Введение В последнее десятилетие в передовых странах мира развиваются технологии Smart Grid (интеллектуальная сеть), которые рассматриваются как основа модернизации и инновационного развития электроэнергетики. Новейшие технологии, применяемые в сетях, основанные на адаптации характеристик оборудования в зависимости от режимной ситуации, активное взаимодействие с генерацией и потребителями позволяют создавать эффективно функционирующую систему, в которую встраиваются современные информационно-диагностические системы, системы автоматизации управления всеми элементами, включенными в процессы производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии. Электрическая сеть из пассивного устройства транспорта и распределения электроэнергии превращается в активный элемент, параметры и характеристики которой изменяются в зависимости от требований режимов работы в реальном времени, в которой все субъекты электроэнергетического рынка (генерация, сеть, потребители) принимают активное участие в процессах передачи и распределения электроэнергии. Для реализации этой новой функции сети оснащаются современными быстродействующими устройствами силовой электроники и электромашиновентильных систем, системами, обеспечивающими получение информации в режиме on-line о режимах работы сети и состоянии оборудования. В сетях и у потребителя находят широкое применение различного рода накопители (аккумуляторы) электрической энергии, а потребители становятся активными участниками процесса распределения и потребления электроэнергии. Сети оснащаются современными системами автоматизации управления нормальными и аварийными режимами работы, используются мощные компьютерные средства для управления и оценки состояния режимов работы. Для целей достижения энергоэффективности, снижения потерь, помимо применения современного экономичного оборудования и технологий применяются и прорывные технологии, такие как использование явления высокотемпературной сверхпроводимости. Для организации взаимодействия и координации деятельности сторон, заинтересованных в широком внедрении интеллектуальных технологий, создана технологическая платформа «Интеллектуальная энергетическая система России» (ТП ИЭС). О своей заинтересованности в участи в работе ТП ИЭС на сегодня заявили более 140 организаций. В следующих разделах представлены предварительные результаты работы по разработке стратегической программы исследований ТП ИЭС. 3 Раздел 1. Текущие тенденции развития рынков и технологий в сфере деятельности платформы В последнее десятилетие во всем мире интенсивно развивается направление научно-технологического инновационного преобразования электроэнергетики на базе новой концепции, получившей название Smart Grid, интерпретированное в различных переводах, в основном, как – «интеллектуальная (умная) сеть (энергосистема)». Основными идеологами разработки такой концепции выступили США и страны Европейского Союза (ЕС), принявшие ее как основу своей национальной политики энергетического и инновационного развития. В последующем концепция Smart Grid получила признание и развитие практически во всех крупных индустриально развитых и динамично развивающихся странах, где развернут широкий спектр деятельности в этом направлении. Наиболее масштабные программы и проекты разработаны и реализуются в США и странах Евросоюза, Канаде, Австралии, Китае и Корее: так, например, в США такая программа имеет статус национальной и осуществляется при прямой поддержке политического руководства страны, а в странах Европейского Союза для координации работ и выработки единой стратегии развития электроэнергетики в 2004 году создана технологическая платформа Smart Grids – «Европейская энергетическая система будущего», конечной целью которой является разработка и реализация программы развития Европейской энергетической системы до 2020 года и далее. Smart Grid рассматривается за рубежом, прежде всего, как концепция инновационного преобразования электроэнергетики на основе целостной системы видения ее роли и места в современном и будущем обществе, определяющем требования к ней, подходов к обеспечению этих требований, принципов и способов осуществления и необходимого технологического базиса для реализации, в которой новым технологиям и устройствам отводится роль одного из основных способов и инструментов его осуществления. В основу концепции положена разработанная целостная и всесторонне согласованная в обществе система взглядов (видения) на роль и место электроэнергетики на перспективу, целей и требований к ее развитию, подходов к их осуществления, принципов и способов реализации и создания необходимого технологического базиса. Наиболее отчетливо и полно это сформулировано в основополагающих материалах, представленных государственными структурами ЕС и США. Причины возникновения новой концепции связаны, в первую очередь, с тем, что последние десятилетия прогнозируемое развитие во всем мире характеризуется возникновением целого ряда факторов, определяющих необходимость кардинальных преобразований в электроэнергетике: 4 постоянное повышение стоимости электроэнергии во всем мире; необходимость повышения энергетической и экологической эффективности электроэнергетики; рост требований потребителей к надежности и качеству электроснабжения появление прогрессивных технологий в результате НТП, не нашедших должного применения в современной электроэнергетике; снижение надежности энергоснабжения; изменение условий функционирования рынков электроэнергии и мощности. Исходя из этого, за рубежом был проведен глубокий анализ возможных путей развития электроэнергетики, результаты которого показали наличие серьезных ограничений возможностей развития отрасли, в рамках прежней экстенсивной концепции, основанной преимущественно на улучшении отдельных видов оборудования и технологий, обладающих даже более совершенными по сравнению с достигнутыми на сегодня функциями и характеристиками. В качестве наиболее значимых факторов рассматривались: ограниченность возможности дальнейшего наращивания, как объемов, так и повышения эффективности генерирующих мощностей, в т.ч. и в силу исчерпаемости в долгосрочной перспективе не возобновляемых видов топлива, а также и появления существенных экологических ограничений, сдерживание развития сетевой инфраструктуры, в первую очередь, в районах с высокой плотностью населения, все более возрастающими техногенными и инфраструктурными рисками развития; низкий потенциал повышения эффективности использования ресурсов: существующая технологическая база энергетики практически исчерпала возможности повышения производительности оборудования; ограниченность инвестиционных ресурсов для строительства новых энергетических объектов и развития сетевой инфраструктуры. Результаты исследований за рубежом показали, что учет всех факторов развития электроэнергетики в будущем требует изменения принципов и механизмов ее функционирования, способных обеспечить общественное развитие, прорывное повышение потребительских свойств и эффективности использования энергии. Это решение потребовало разработки новой концепции инновационного развития электроэнергетики, которая, с одной стороны, соответствовала бы современным взглядам, целям и ценностям социального и общественного развития, формирующимися и ожидаемыми потребностями людей и общества в целом, а, с другой, максимально учитывала основные тенденции и направления научно-технического прогресса во всех отраслях, сферах жизни и деятельности общества. Такой концепцией и стала Smart Grid. 5 Следует отметить, что публично представленные на сегодня разработанные подходы и варианты концепции не воспринимаются как нечто законченное и нормативно зафиксированное - их развитие, конкретизация и апробация ставится за рубежом как одна из основных задач. Проведенный в рамках исследования анализ зарубежного опыта позволил сформулировать следующие исходные положения, принятые при разработке и развитии концепции Smart Grid за рубежом: 1. Концепция Smart Grid предполагает системное преобразование электроэнергетики (энергосистемы) и затрагивает все ее основные элементы: генерацию, передачу и распределение (включая и коммунальную сферу), сбыт и диспетчеризацию; 2. Энергетическая система рассматривается в будущем как подобная сети Интернет инфраструктура, предназначенная для поддержки энергетических, информационных, экономических и финансовых взаимоотношений между всеми субъектами энергетического рынка и другими заинтересованными сторонами; 3. Развитие электроэнергетики должно быть направлено на развитие существующих и создание новых функциональных свойств энергосистемы и ее элементов, обеспечивающих в наибольшей степени достижение ключевых ценностей новой электроэнергетики, выработанных в результате совместного видения всеми заинтересованными сторонами целей и путей ее развития; 4. Электрическая сеть (все ее элементы) рассматривается как основной объект формирования нового технологического базиса, дающего возможность существенного улучшения достигнутых и создания новых функциональных свойств энергосистемы; 5 Разработка концепции комплексно охватывает все основные направления развития: от исследований до практического применения и тиражирования и должна вестись на научном, нормативно-правовом, технологическом, техническом, организационном, управленческом и информационном уровнях. 6. Реализация концепции носит инновационный характер и дает толчок к переходу к новому технологическому укладу в электроэнергетике и в экономике в целом. В рамках развиваемой концепции Smart Grid разнообразие требований всех заинтересованных сторон (государства, потребителей, регуляторов, энергетических компаний, сбытовых и коммунальных организаций, собственников, производителей оборудования и др.) сведено к группе так называемых ключевых требований (ценностей) новой электроэнергетики, сформулированных как: доступность – обеспечение потребителей энергией без ограничений в зависимости от того, когда и где она им необходима, и в зависимости от оплачиваемого качества; 6 надежность – возможность противостояния физическим и информационным негативным воздействиям без тотальных отключений или высоких затрат на восстановительные работы, максимально быстрое восстановление (самовосстановление); экономичность – оптимизация тарифов на электрическую энергию для потребителей и снижение общесистемных затрат; эффективность – максимизация эффективности использования всех видов ресурсов и технологий при производстве, передаче, распределении и потреблении электроэнергии; органичность взаимодействия с окружающей средой - максимально возможное снижение негативных экологических воздействий безопасность – не допущение ситуаций в электроэнергетике, опасных для людей и окружающей среды. Принципиально новым здесь является то, что все выдвинутые ключевые требования (ценности) предполагается рассматривать как равноправные, и степень их приоритетности, уровня и соотношения не являются общими, нормативно зафиксированными для всех, а могут определяться и осуществляться для каждого рассматриваемого субъекта энергетических отношений (энергокомпания, регион, город, домохозяйство и т.п.) по существу индивидуально. В такой постановке задача развития энергетики из преимущественно балансовой трансформируется в задачу создания, развития и предоставления потребителю и обществу в целом, своего рода, «меню» энергетических возможностей. В рамках концепции Smart Grid для достижения ключевых требований (ценностей) предполагается развитие следующих функциональных характеристик 1. Самовосстановление при аварийных возмущениях: энергосистема и ее элементы должны постоянно поддерживают свое техническое состояние на требуемом уровне путем идентификации, анализа и перехода от управления по факту возмущения к предупреждению аварийного повреждения. 2. Мотивация активного поведения конечного потребителя: обеспечение возможности самостоятельного изменения потребителями объема и потребительских характеристик (уровня надежности, качества и т.п.) получаемой энергии на основании баланса своих потребностей и возможностей энергосистемы с использованием информации о характеристиках цен, объемов, надежности, качестве и др. 3. Сопротивление негативным влияниям: наличие специальных методов обеспечения устойчивости и живучести, снижающих физическую и информационную уязвимость всех составляющих энергосистемы и способствующих как предотвращению, так и быстрому восстановлению ее после аварий в соответствии с требованиями энергетической безопасности. 7 4. Обеспечение надежности и качества электроэнергии путем перехода от системно-ориентированного подхода (System-based approach) к обеспечению этих свойств к клиентоориентированному (Customer-based), и поддержанию различных уровней надежности и качества энергии в различных ценовых сегментах. 5. Многообразие типов электростанций и систем аккумулирования электроэнергии (распределенная генерация): оптимальная интеграция электростанций и систем аккумулирования электроэнергии различных типов и мощностей путем подключения их к энергосистеме по стандартизованным процедурам технического присоединения и переход к созданию «микроэнергосистем» (Microgrid) на стороне конечных пользователей. 6. Расширение рынков мощности и энергии до конечного потребителя: открытый доступ на рынки электроэнергии активного потребителя и распределенной генерации, способствующий повышению результативности и эффективности розничного рынка. 7. Оптимизация управления активами: переход к удаленному мониторингу производственных активов в режиме реального времени, интегрированному в корпоративные системы управления, для повышения эффективности оптимизации режимов работы и совершенствования процессов эксплуатации, ремонтов и замены оборудования по его состоянию, и, как следствие, обеспечение снижения общесистемных затрат Реализация выдвинутых ключевых требований (ценностей) и осуществление функциональных свойств (принципиальных характеристик) рассматриваются в рамках концепции Smart Grid с позиций идентификации обеспечивающих их ключевых (базовых) технологических областей и технологий или технологического базиса, требующих соответствующего инновационного развития. Под технологическим базисом здесь понимается совокупность технологий, позволяющих обеспечивать согласованную структуру промежуточных и конечных продуктов и услуг на определенном этапе развития отрасли. В концепции Smart Grid при формировании технологического базиса за рубежом рассматривается как необходимый вопрос обеспечения технологической преемственности перехода от существующей технологической базы энергетики к новой с минимально возможными издержками. В США и Европейском Союзе решение этих проблем предполагается путем создания некоего нормативного поля (пространства), формируемого в виде широкой системы стандартов и требований к функциям, элементам, устройствам, системе взаимодействий и т.д. (так, например, в США планируется разработка более 100 видов стандартов), в рамках которых разработчикам и производителям предоставлено право и возможность создания предложения, а пользователям (энергетическим компаниям и 8 потребителям) – формирование «своей» Smart Grid, как они это для себя видят (принцип или эффект паззла). С целью создания нового, инновационного технологического базиса энергетики были сформированы пять групп ключевых технологических областей, обеспечивающих, прорывной характер: измерительные приборы и устройства, включающие, в первую очередь, smart счетчики и smart-датчики; усовершенствованные методы управления: распределенные интеллектуальные системы управления и аналитические инструменты для поддержки коммуникаций на уровне объектов энергосистемы, работающие в режиме реального времени и позволяющие реализовать новые алгоритмы и методики управления энергосистемой, включая управление её активными элементами усовершенствованные технологии и компоненты электрической сети: гибкие передачи переменного тока FACTS, постоянный ток, сверхпроводящие кабели, полупроводниковая, силовая электроника, накопители и пр. интегрированные интерфейсы и методы поддержки принятия решений, управление спросом, распределенная система мониторинга и контроля (DMCS), распределенная система текущего контроля за генерацией (DGMS), автоматическая система измерения протекающих процессов (AMOS), и т.д., а также новые методы планирования и проектирования как развития, так и функционирования энергосистемы и ее элементов. интегрированные коммуникации, которые позволяют элементам первых четырех групп обеспечивать взаимосвязь и взаимодействие друг с другом, что и представляет, по существу, Smart Grid как технологическую систему. В настоящее время в секторе магистральных сетей наибольшее распространение и развитие получили следующие группы технологий (табл.1): Таблица 1 Ключевые технологии, развиваемые в секторе магистральных сетей за рубежом Технологии аккумулирования электроэнергии Технологии сверхпроводимости Токоограничивающие устройства Инновационные Технологии цифровой подстанции компоненты и технологии Технологии передачи энергии постоянным током Технологии управляемых электропередач переменного тока 9 Системы Технологии контроля и защиты от внешних воздействий мониторинга и защиты от внешних Технологии мониторинга и диагностики электрических воздействий сетей Системы управления Технологии адаптивного автоматизированного и автоматического управления Технологии интеллектуального управления Мониторинг активности в электросетевой сфере за рубежом показывает, что уровень инновационности принимаемых решений в распределительном комплексе выше, чем в передаче высокого напряжения. В Приложении 1 приведены основные технологии и области инновационного развития зарубежных электросетевых распределительных компаний. Это объясняется целой совокупностью факторов, и прежде всего, это следствие необходимости присоединения ВИЭ и распределенной генерации, а также непосредственной связью с потребителем. Тем не менее, сети высокого напряжения являются важнейшей составляющей концепции Smart Grid, что подтверждается широким спектром пилотных проектов и инновационных решений в этой области. Выделим лишь несколько типичных пилотных проектов в магистральных сетях, реализуемых за рубежом: 1. Мультиуровневые технологии VSC (Voltage-Sourced Converter) для передачи электроэнергии. Siemens Energy, США и Германия. Инновационные решения HVDC (High Voltage Direct Current) и FACTS (Flexible AC Transmission Systems), реализуемые в рамках проекта, обеспечивают адаптацию к новым вызовам умной сети. Новые технологии силовой электроники с самокоммутирующимися конвертерами обеспечивают усовершенствованные технические характеристики, такие как независимый контроль активной и реактивной мощности, способность снабжать слабые или пассивные сети, а также меньшие требования по пространству для размещения VSC стал стандартом для самокоммутирующихся конвертеров и будет все больше использоваться в системах высокого напряжения в будущем. 2. Разработка технологии оперативного контроля для автономных энергосистем., Central Research Institute of the Electric Power Industry (CRIEPI), (Tokyo).) Этот проект является частью программы внедрения автономных энергосистем, целью которой является обеспечение подключения и эффективная эксплуатация распределенной генерации, предотвращая влияние на качество электроснабжения и безопасность. Целью проекта является демонстрация метода непрерывного электроснабжения в условиях изолированного функционирования высоковольтной секции сети, используя 10 Loop Power Control, а также разработка и демонстрация изолированного функционирования распределительной сети низкого напряжения с ВИЭ, аккумуляторами электроэнергии и технологией отключения отдельной потребительской нагрузки. Были проведены демонстрационные испытания, которые подтвердили, что в результате применения разработанного метода изолированное функционирование всей сети низкого напряжения может продолжаться во время аварий, не допуская отключений у домашних потребителей. 3. «Strong Smart Grid». Проект китайской сетевой компании State Grid совместно с McKinsey: State Grid планирует развернуть систему Смарт Грид, в которую с в него входит передача сверхвысокого напряжения (UHV) с усовершенствованными учетными приборами (AMI) и модернизованными сетевыми устройствами к 2020 году. Устройствам сети придается особое внимание в краткосрочном периоде, поскольку Китай планирует развить систему передачи на сверхвысоком напряжении, чтобы улучшить передачу напряжения из энергоизбыточных центральных и западных районов в энергодефицитные районы побережья. Журнал Transmission&Distribution World и консалтинговая компания Black&Veatch провели глобальное исследование1, направленное на оценку направленности электросетевых компаний в области развития Smart Grid (Black&Veatch и T&D World опросили представителей 91 компании). Около 80% респондентов планируют реализовывать проекты по созданию интеллектуальной сети, считая повышение надежности главным фактором, обуславливающим актуальность этой задачи, и снижение операционных издержек вторым по значимости фактором. Около 23% респондентов указали, что они планируют потратить на реализацию проектов Smart Grid от 5 до 10 млн. долл., 21% заявили объем инвестиций от 1 до 5 млн. долл. Подавляющее большинство опрошенных (79%) назвали развитие систем автоматизированного коммерческого учета энергоресурсов первоочередной задачей на пути к Smart Grid. Также отмечается высокая позиция систем автоматизации распределительных сетей и систем управления и мониторинга нагрузки в рейтинге технологий интеллектуальных сетей. Результаты исследования представлены на рисунке 1. 1 http://www.smartgrid.su/tag/raspredelitelnye-seti/ 11 90,00% 80,00% 79% 70,00% 60,00% 64,50% 64,50% 59,70% 51,60% 50,00% 40,00% 41,90% 45,20% 27,40% 30,00% 20,00% 38,70% 33,90% 27,40% 21,00% 17,70% 10,00% анц мо ий нит о ри нг наг ко н ру з Упр тро ки ль авл с е ни ост о ян ем обл ия се т иль и ны м и Си б р иг сте ада ма Си у пр ми сте авл мы ени у пр яс авл етя ени ми яб изн ес про Упр цес сам авл е ни и е Ра наг сп р р у зк еде ой ле н ная ген ер а Си ци я сте мы "ум ны йд Си ом сте " мы FA CT Sи др. рин ги под ст ац и я ле н ие и Мо ни т о Ав том ати з р ас пр е д сет ей ика ции Ав том ати з ац т я мун еко м Тел Упр ав Си ст ем ы авт о ма тиз иро ва нно го уче т а 0,00% Рис. 1 - Перспективные технологии Smart Grid2 Концепция Smart Grid не имеет за рубежом границ между передачей и распределением электроэнергии, т.к. в перспективе будет постепенно стираться граница, базирующаяся на режимах работы. Задачи, определенные зарубежными странами для внедрения концепции Smart Grid в сфере магистральных сетей: оценка безопасности магистральных электросетей в режиме реального времени – инновационные решения для потребностей анализа безопасности в режиме реального времени энергосистем с высокой нагрузкой и для применения в динамических расчетах при принятии решений в режиме реального времени; оценка состояния передающих электросетей – новые приемы для обеспечения качества и точности данных об энергосистеме в режиме реального времени (например, более широкое применение технологии WAMS); повышение безопасности передающих электросетей – новые приемы в повышении безопасности электросетей и обеспечение непревышения установленных пределов функциональной стабильности; 2 http://www.smartgrid.su/tag/raspredelitelnye-seti/ 12 визуализация: представление комплексных и критических условий системы через интерфейс пользователя. В последние годы к осуществлению программ и проектов в направлении Smart Grid, охватывающих широкий спектр проблем и задач, приступило подавляющее большинство индустриально развитых, а также многие развивающиеся страны. Наиболее масштабные программы и проекты в этом направлении разработаны и осуществляются в США, Канаде и странах Евросоюза. Принято решение о разработке и реализации аналогичных программ и проектов в ряде других стран (рис.2). Австралия США Канада Индия Япония Европейский союз Китай Великобритания Рис.2. Стимулирование развития Smart Grid в мире Масштабы, направленность, интенсивность и темпы этой деятельности в разных странах не одинаковы, во многом они определяются степенью разнородности элементов энергетической системы, развития таких функций как взаимодействие с потребителями, характерными методами объединения в единую энергосистему малых источников энергии, включая и нетрадиционные, другими факторами. Одним из основных инициаторов работ и инвесторов Smart Grid в большинстве стран выступает государство. 13 Практически во всех странах стимулирование инновационной активности в сфере интеллектуальной энергетики осуществляется в формате государственно-частного партнерства. При этом государство не только формирует благоприятное регулятивное поле, но и в значительных объемах напрямую финансово поддерживает конкретные программы и проекты, задавая тем самым темпы и направления технологического обновления отрасли. Так, в 2010 г. наиболее крупные государственные инвестиции в развитие «интеллектуальной» электроэнергетики были выделены правительствами Китая (7,3 млрд долл.), США (7,1 млрд долл.), Японии, Южной Кореи и Испании (каждая - около 0,8 млрд долл.). Европейский Союз выделил 2 млрд долл. на 9-летнюю (2010-2018 гг.) программу НИОКР в области Smart Grid. В США государственное финансирование развития интеллектуальной энергетики законодательно является частью принятого Конгрессом комплекса мер по стимулированию национальной экономики. По сравнению с 2009 г., в 2010 году объем государственных инвестиций в Smart Grid увеличился почти на 60%. Кроме этого, в стране активно развивается система В Канаде государство активно поддерживает лишь часть технологий Smart Grid, которые относятся к «чистой», возобновляемой энергетике. На федеральном уровне действует программа ecoENERGY по развитию возобновляемой (ветровой, океанической, геотермальной, солнечной, био- и гидроэнергетики) с бюджетом около 1,5 млрд долл. Государственно-частный Фонд чистой энергии в следующие пять лет планирует инвестировать в развитие чистых технологий 795 млн. долл, их них федеральная государственная поддержка составит около 20%. Экономическая поддержка возобновляемой энергетики на региональном уровне носит косвенный характер и осуществляется через тарифы. Вместе с тем, другие направления интеллектуальной энергетики в Канаде не имеют прямой государственной поддержки и инициируются и реализуются как коммерческие проекты энергетических компаний. Наиболее крупными примерами таких проектов является массовая установка интеллектуальных счетчиков; при этом расходы сетевых организации по их установке впоследствии включаются в тарифы на поставку электроэнергии потребителям. На уровне Европейского союза принятая программа НИОКР по развитию общеевропейских сетей (European Electricity Grid Initiative, EEGI) 14 финансируется совместно за счет централизованных средств Евросоюза, стран-членов и участников рынка: - из средств Европейского Союза финансируется 65-70% программы в части развития магистральных сетей, а также 30-40% в части развития распределительных сетей - страны-члены ЕС финансируют 40-50% программы в части развития распределительных сетей; - из тарифных источников финансируется 25-30% программы в части развития магистральных сетей и 10-30% в части развития распределительных; - инвестиции независимых участников рынка составляют 5-15%. В Германии реализуется государственная программа E-Energy, направленная на развитие интеллектуальной энергетики и включающая шесть региональных пилотных проектов с общим объемом финансирования 185 млн. долл. Более половины бюджета программы формируется частными инвесторами, в основном - это энергетическими компаниями. 15 Раздел 2. Прогноз развития рынков и технологий в сфере деятельности платформы По оценкам американского Electro Power Research Institute, в ближайшие два десятилетия в США на реализацию проектов «Smart grid» будет направлено порядка 160 млрд. долл. США, а в мире - суммарные инвестиции в эту сферу превысят 500 млрд. долл. США. Кроме европейских стран, Америки и Канады, все новые и новые государства осознают необходимость коренной модернизации электрических сетей и вкладывают серьезные государственные средства в их изучение и развитие. Так, Китай серьезно озабочен возможностью построения эффективной энергосистемы. Компания JUCCCE (Государственный кооператив энергосетей Китая) в Китае занимается стимулированием интереса к концепции Smart Grid, планирует ее внедрение, и организует различные встречи, симпозиумы. Инвестиции в конструирование энергосистемы самой большой энергетической компании в Китае уже в 2007 году составили 31.8 миллионов долларов. Второе по величине предприятие в Китае – Северный кооператив энергосетей – по данным журнала Fortune вложил 30 миллионов долларов. Корея строит амбициозные планы по построению и внедрению концепции Smart Grid, что создает дополнительные доходы и рабочие места в стране. Высокотехнологичная энергетическая система, по их мнению, создаст рынок стоимостью 54.5 млрд. долларов и более 500 тысяч новых рабочих мест ежегодно, а также уменьшит потребление электроэнергии населением на 3% при завершении программы в 2030 году. По данным Портал-Энерго3, до 2015 гг. на строительство энергетических объектов на базе концепции Smart Grid будет потрачено в общей сложности $200 млрд. (рис.1). Около 84% этой суммы будет направлено на внедрение систем автоматизации, 14% на внедрение датчиков по измерению расхода электроэнергии в режиме реального времени. 3 http://portal-energo.ru/news/details/id/21 16 Рис.1. Расходы на интеллектуальные сети в период до 2015 гг. (в млн.долл.) По прогнозам аналитиков, основными трендами рынка Smart Grid станут: повышение надежности и безопасности энергетических систем, повышение эффективности и снижение расходов на передачу и потребление электроэнергии, обеспечение баланса между объемами выработки и потребления электроэнергии, а также снижение степени влияния электроэнергетики на окружающую среду. На этом пути индустрии придется столкнуться не только с задачами технического и финансового плана, но и решить проблему отсутствия стандартов. По прогнозу IDC, в 2010 г. в мире будет установлено более 60 млн. smart датчиков потребления электрической энергии: США имеют в этом направлении наиболее серьезные намерения — в 2010 г. на интеллектуальное управление электропитанием планируется перевести 15% потребителей, а в течение 10 лет — всех до единого. Проектирование и последующая реализация интеллектуальной энергетической системы на основе концепции Smart grid невозможны без развернутого технико-экономического обоснования, в основе которого лежит, с одной стороны, анализ ожидаемых эффектов разного типа, с другой — оценка затрат на внедрение новых технических средств и систем управления, сопутствующих информационных и коммуникационных технологий. Народнохозяйственная эффективность развития интеллектуальной энергетики определяется соотношением капиталовложений, необходимых для массового внедрения новых технологических устройств и систем управления и отраслевого эффекта снижения (экономии) затрат на функционирование и развитие энергосистемы за счет: 17 снижения капиталовложений в дополнительные генерирующие мощности «общесистемных» электростанций с учетом снижения максимума нагрузки, общего электропотребления, развития распределенной генерации, требований к резервам и увеличению допустимых объемов балансовых потоков мощности; снижения капиталовложений в дополнительное увеличение пропускных способностей межсистемных связей в ЕНЭС, а также в развитие распределительной сети, с учетом более эффективного мониторинга и активного управления существующими линиями, а также эффектов от управления спросом и развития распределенной генерации у потребителей, снижающих требования к объему резервирования сетевыми мощностями; снижения топливных затрат за счет улучшенной оптимизации режимов загрузки электростанций, вовлечения распределенной возобновляемой генерации и сокращения общего электропотребления (включая потери в сетях); снижения эксплуатационных затрат в результате переходе на новые типы оборудования и управления, с более высокой автоматизацией и наблюдаемостью. Опыт разработки концепций и стратегий развития интеллектуальной энергетики в разных странах мира показывает, что ее создание должно оцениваться не только как сложнейшая инженерная задача, нацеленная на преодоление конкретных технических, управленческих и экономических проблем в электроэнергетике. Интеллектуальная энергетика справедливо рассматривается как целостная технологическая платформа, отвечающая энергетическим нуждам новой, инновационной экономики 21 века, запросам постиндустриального общества, требованиям устойчивого развития (sustainable development). Именно поэтому все большую актуальность (и политическую значимость) приобретает оценка так называемых внешних, экстернальных эффектов, ожидаемых от создания Smart Grid. Данные эффекты акцентируют внимание на том, в какой мере создание ИЭС ААС соответствует социальному запросу общества и экономики к новым стандартам энергоснабжения, и потому также должны стать составной частью развернутого технико-экономического обоснования создания интеллектуальной энергетики, дополняя основные технологические и прямые экономические эффекты. В качестве наиболее значимых эффектов можно выделить: 1). Снижение экологической нагрузки. Создание новых технологических возможностей для масштабного развития возобновляемой энергетики, повышение энергоэффективности при передаче, распределении и конечном потреблении электроэнергии потенциально может обеспечить заметное снижение использования 18 органического топлива в электроэнергетике и, следовательно - снижение выбросов загрязняющих веществ, а также парниковых газов. Применение новых технологий в сетевом комплексе позволяет также снизить уровни электромагнитного излучения при передаче и распределении электроэнергии, а более компактные решения по оборудованию линий электропередач и подстанций обеспечивают значительное сокращение объемов отчуждаемой земли. 2). Инновационный импульс для экономики. Развитие интеллектуальной энергетики формирует массовый спрос на научно-исследовательские, опытно-конструкторские работы, результатом которых станут действительно инновационные продукты энергомашиностроения и электротехнической промышленности (включая, например, разработку и освоение новых технологий возобновляемой энергетики, хранения электроэнергии). Не менее важным является ее влияние на развитие информационных и коммуникационных технологий, без которых невозможно будет достичь качественно нового уровня в автоматизации, наблюдаемости и управляемости электроэнергетики. 3). Повышение энергетической безопасности. Наиболее очевидным и значимым эффектом в этой сфере является повышение надежности энергоснабжения. Интеграция и оперативность управления генерацией, сетями (как на уровне межсистемных связей, так и на уровне систем распределения) и конечным спросом позволяют значительно снизить вероятность нарушений энергоснабжения, частоту и продолжительность отключений. Наличие источников распределенной генерации, максимально приближенных к потребителю, различные формы аккумулирования электроэнергии, развитие микросетей, повышают уровень локальной энергообеспеченности, создавая возможности для оперативного перехода потребителей к автономному энергоснабжению в случае системных аварий. Ключевым экономическим показателем для оценки данного эффекта является снижение экономических ущербов у различных категорий потребителей, связанных с упущенной выгодой или увеличенными производственными затратами при нарушении нормального режима производственной или коммерческой деятельности. Кроме этого, интенсивное вовлечение локальных (прежде всего – возобновляемых) энергоресурсов при создании Smart Grid позволяет снизить уровень зависимости от внешних поставок (или импорта) органического топлива или электроэнергии на уровне отдельных регионов или страны в целом. 4). Улучшение условий для экономической интеграции и конкуренции Повышение гибкости режимов функционирования сетевой инфраструктуры, новые средства управления пропускными способностями и потоками мощности позволяют преодолеть существующие ограничения для 19 более тесного коммерческого взаимодействия спотовых рынков электроэнергии (пулов) и перейти к новому этапу экономической интеграции в электроэнергетике, формированию более крупных, объединенных рынков в национальном и транснациональном масштабах (в частности – формирование единого электроэнергетического рынка ЕС). Внедрение интеллектуальных систем учета электроэнергии, развитие возможностей двусторонней коммуникации и автоматизация совместного управления режимами передачи, распределения и потребления электроэнергии, а также распределенной генерацией делают реальным качественно новое, динамическое ценообразование для конечных потребителей и обеспечивают возможности их активного включения в формирование кривой спроса на рынке. В целом, переход к интеллектуальной электроэнергетике считается уже необходимым условием для запуска полномасштабной конкуренции на уровне конечных потребителей. Это в итоге отражается на снижении средней стоимости счета за электроэнергию и оптимизации финансовых расходов потребителей. 5). Повышение производительности и безопасности труда. Активное внедрение автоматизированных систем удаленного контроля и управления в сфере Smart Grid (цифровые подстанции, датчики, интеллектуальные счетчики и т.д.), новые типы технических устройств с пониженными показателями аварийности, увеличенным эксплуатационным ресурсом позволяют заметно сократить численность обслуживающего персонала, необходимого для обеспечения нормального функционирования всех технологических подсистем. Одновременно с этим, создается более безопасная и комфортная среда для производственного персонала, как в электроэнергетике, так и для обслуживания устройств у конечных потребителей. Как и прямые экономические эффекты, экстернальные эффекты определяются изменениями функциональности структурных подсистем электроэнергетики и порождаемыми ими «базовыми» технологическими эффектами. Практически все экстернальные эффекты могут быть оценены количественно, однако их последующая корректная стоимостная оценка далеко не всегда возможна либо существующие в настоящее время подходы дают чрезвычайно широкий диапазон неопределенности. Прогнозные оценки изменений балансовых условий в ЕЭС России при развитии интеллектуальной энергетики Создание ИЭС ААС будет сопровождаться рядом общесистемных эффектов, имеющих значительное влияние на балансовую ситуацию в ЕЭС России. Основные их типы связаны с переходом к новому качеству управления в энергосистеме: эффекты управления спросом обеспечивают изменение режимов электропотребления, снижение максимума и уплотнение графика нагрузки в 20 энергосистеме, а в ряде случаев сопровождаются и общим снижением уровня электропотребления; эффекты управления потерями при передаче и распределении электроэнергии формируются за счет сокращения ненагрузочных потерь при внедрении новых типов проводов и силового оборудования и уменьшения нагрузочных потерь при переходе к интеллектуальному качеству управления режимами сети, а также вследствие изменения режимов электропотребления при реализации эффектов управления спросом; эффекты управления пропускными способностями линий в основной и распределительной сети обеспечивают увеличение допустимых перетоков мощности за счет внедрения технологий гибких передач и новых систем автоматизированного мониторинга статической устойчивости сети; эффекты управления генерацией позволяют добиться рационального использования крупной и распределенной генерации. Одним из важных эффектов в этой сфере является интеграция в энергосистему больших объемов распределенной генерации и повышение управляемости потоками электроэнергии, производимой на электростанциях с нерегулярными режимами выработки энергии (ветровых, солнечных и др.); эффекты управления надежностью и качеством энергоснабжения обеспечивают снижение частоты и продолжительности аварийных ситуаций, служащих причиной прямого недоотпуска электроэнергии потребителям или ненадлежащего качества поставки. При этом, как следствие, снижаются прямые экономические потери потребителей из-за упущенной финансовой выгоды, порчи сырья, оборудования, расходных материалов и пр. Для предварительной оценки возможных системных эффектов в ЕЭС России при создании интеллектуальной электроэнергетики были использованы данные по результатам пилотных проектов и более комплексным программам развития 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. Тем не менее, представленные ниже обобщения целевых установок или первых результатов позволяют уточнить ранее приведенные диапазоны возможных эффектов в ЕЭС России. Итоговые параметры изменения балансовых условий приведены в табл. 1. Они отражают средние и нижние показатели рассмотренных пилотных проектов. Параметры для 2020 г. предполагают реализацию проекта ИЭС ААС в объеме 25% от показателей 2030 г. 21 Таблица 1. Параметры изменения балансовых условий, принятые для оценки эффектов развития интеллектуальной энергетики в ЕЭС России, % Условие Пилотные Целевые показатели проекты интеллектуальной Smart Grid энергосистемы в ЕЭС России 2020 г. 2030 г. Снижение прогнозного 10—20 2,5 10 максимума нагрузки Снижение конечного 5—15 2 8 электропотребления Снижение потерь в сетях (относительно отчетного 20—50 7,5 30 уровня) Снижение необходимых резервов мощности в генерации 20—30 5 20 (относительно отчетного уровня) Увеличение пропускных способностей межсистемных 5—10 2,5 10 связей Совместное влияние данных эффектов количественно отражается на балансовой ситуации в ЕЭС России через изменение потребности в электроэнергии и установленной мощности. Совместное влияние технологических эффектов на балансовые условия приводит к их взаимному усилению (синергии). В результате изменения потребности в электроэнергии и установленной мощности электростанций оказываются больше, чем рассчитанные в виде простой суммы эффектов. Оценки, сделанные для исходных балансовых условий базового варианта Генеральной схемы размещения объектов электроэнергетики, показывают, что реализация к 2030 г. основных мероприятий по созданию интеллектуальной энергетики в России позволит снизить потребность в установленной мощности более чем на 10% (на 34 ГВт) и электропотребление почти на 9% (140 млрд. кВт∙ч). При этом относительный уровень потерь в сетях последовательно снизится на 30% — с 12 до 10 % в 2020 г. и до 8% в 2030 г. 22 Снижение требуемой установленной мощности, ГВт 34 2030 г. 2025 г. 10 140 93 2020 г. 7 0 2030 г. 2025 г. 24 2020 г. Снижение потребности в электроэнергии, млрд кВт*ч 20 30 40 23 0 50 100 150 Снижение максимума нагрузки у потребителей при управлении спросом Снижение конечного электропотребления при управлении спросом Снижение резерва в генерации с учетом повышения надежности средствами ИЭС ААС и снижения максимума нагрузки Снижение потерь в сетях с учетом новых технологий, управления потерями и снижения конечного электропотребления Рис. 2. Количественная оценка изменения балансовых условий в ЕЭС России к 2030 г. при развитии интеллектуальной энергетики Стоимостные оценки затрат и эффектов при развитии интеллектуальной энергетики в ЕЭС России На основе ожидаемых изменений балансовых условий в ЕЭС России могут быть получены интегральные экономические оценки эффектов от развития интеллектуальной энергетики. Результаты моделирования изменений параметров развития ЕЭС России на период до 2030 г., выполненная в ИНЭИ РАН, показывают, что переход к инновационному варианту развития ЕЭС России на базе интеллектуальной энергетики будет сопровождаться существенным снижением вводов новых электростанций и связанных с ним сетевых объектов для выдачи мощности. Снижение капиталовложений является наиболее значимым системным экономическим эффектом, и до 2030 г. их объем может снизиться почти на 2 трлн. руб. Табл. 2. Итоговые экономические эффекты при развитии интеллектуальной энергетики в ЕЭС России До 2021— 2026— Всего 2020 2025 2030 2015— г. гг. гг. 2030 гг. Снижение потребности в необходимой 7,8 15,3 11,0 34,1 генерирующей мощности, ГВт Экономия топлива на ТЭС за счет 4,7 44,1 124,8 173,6 23 снижения необходимой выработки и оптимизации режимов, млн т.у.т., всего - в т.ч. Газомазут Уголь Прочие Снижение эмиссии парниковых газов, млн т СО2 за счет снижения расхода 8,4 75,6 213,6 297,6 топлива Экономические эффекты, млрд. руб. 716 1172 1560 3448 Экономия капиталовложений в отрасли за счет масштабов 682 744 527 1953 необходимого прироста мощностей, млрд. рублей 2010 г., в т.ч.: Электростанции 612 671 451 1734 сетевая инфраструктура для выдачи мощности и усиления межсистемных 70 73 76 219 связей Снижение условно-постоянных затрат 17 190 353 560 Снижение топливных затрат 12 192 552 756 Экономия платы за эмиссию 5 46 128 179 парниковых газов, млрд. рублей 2010 г. Примечание: стоимостные оценки приведены в рублях 2010 г. Вторым наиболее крупным эффектом является снижение топливных затрат электростанций на 750 млрд. руб. Снижение условно-постоянных затрат в электроэнергетике при меньших объемах вводов оценивается в период до 2030 г. на уровне 560 млрд. руб. Дополнительный эффект может быть достигнут с учетом экономической стоимости выбросов парниковых газов: даже при сравнительно невысокой цене 600 руб./т СО2 (эквивалентно 20 долл./т) экономия за счет снижения платы за эмиссию составит 180 млрд. руб. Таким образом, суммарный экономический эффект при развитии интеллектуальной энергетики в ЕЭС России до 2030 г. может составить около 3,5 трлн. руб. Однако его величина должна быть сопоставлена с инвестициями, которые необходимо затратить на массовое внедрение новых технологических средств и систем управления у потребителей, в распределительном комплексе, ЕНЭС, генерации, в контурах технологической и коммерческой диспетчеризации. С учетом масштаба и технологических особенностей ЕЭС России предварительная потребность в капиталовложениях на развитие интеллектуальной энергетики на базе глубокой модернизации существующей инфраструктуры ЕНЭС и распределительной сети, энергетического хозяйства 24 потребителей электроэнергии, а также систем диспетчерского управления может составить в период до 2030 г. 2,4—3,2 трлн. руб. Сопоставление недисконтированных значений экономических эффектов и необходимых затрат на создание ИЭС ААС (рис. 3) показывает, что уже к 2030 г. экономические выгоды от реализации проекта интеллектуальной энергетики в масштабе ЕЭС России окажутся сопоставимыми с необходимыми капиталовложениями. Даже при пессимистической оценке капиталовложения на интеллектуализацию ЕЭС России будут полностью компенсированы полученными эффектами, а при более низкой оценке стоимости реализации программы ИЭС ААС эффекты превысят капитальные затраты почти на 1 трлн. руб. При этом значение чистого эффекта после 2030 г. будет дополнительно прирастать примерно на 1 трлн. руб. за пятилетие в период последействия принятых ранее инвестиционных решений по развитию интеллектуальной энергетики. 4000 3000 экономия экологических платежей 2000 1000 0 затраты эффекты экономия эксплуатационных затрат -1000 -2000 экономия топливных затрат -3000 -4000 Рис. 3. Характеристика затрат и эффектов создания ИЭС ААС в электроэнергетике России до 2030 г., млрд. руб. Полученные экономические оценки показывают потенциальную привлекательность и эффективность вложений в «интеллектуализацию» ЕЭС России и необходимость перехода от стадии поисковых исследований к интенсивной концептуальной проработке и практическому проектированию новой электроэнергетики России, выбору рациональных технических решений, обоснованию оптимальных подходов к системе интеллектуального управления энергосистемой. 25 В рамках развиваемой концепции Smart Grid разнообразие требований всех заинтересованных сторон (государства, потребителей, регуляторов, энергетических компаний, сбытовых и коммунальных организаций, собственников, производителей оборудования и др.) сведено к группе так называемых ключевых требований (ценностей) новой электроэнергетики, сформулированных как: доступность – обеспечение потребителей энергией без ограничений в зависимости от того, когда и где она им необходима, и в зависимости от оплачиваемого качества; надежность – возможность противостояния физическим и информационным негативным воздействиям без тотальных отключений или высоких затрат на восстановительные работы, максимально быстрое восстановление (самовосстановление); экономичность – оптимизация тарифов на электрическую энергию для потребителей и снижение общесистемных затрат; эффективность – максимизация эффективности использования всех видов ресурсов и технологий при производстве, передаче, распределении и потреблении электроэнергии; органичность взаимодействия с окружающей средой - максимально возможное снижение негативных экологических воздействий безопасность – не допущение ситуаций в электроэнергетике, опасных для людей и окружающей среды. Принципиально новым здесь является то, что все выдвинутые ключевые требования (ценности) предполагается рассматривать как равноправные, и степень их приоритетности, уровня и соотношения не являются общими, нормативно зафиксированными для всех, а могут определяться и осуществляться для каждого рассматриваемого субъекта энергетических отношений (энергокомпания, регион, город, домохозяйство и т.п.) по существу индивидуально. В такой постановке задача развития энергетики из преимущественно балансовой трансформируется в задачу создания, развития и предоставления потребителю и обществу в целом, своего рода, «меню» энергетических возможностей. В рамках концепции Smart Grid для достижения ключевых требований (ценностей) предполагается развитие следующих функциональных характеристик 1. Самовосстановление при аварийных возмущениях: энергосистема и ее элементы должны постоянно поддерживают свое техническое состояние на требуемом уровне путем идентификации, анализа и перехода от управления по факту возмущения к предупреждению аварийного повреждения. 2. Мотивация активного поведения конечного потребителя: обеспечение возможности самостоятельного изменения потребителями объема и потребительских характеристик (уровня надежности, качества и 26 т.п.) получаемой энергии на основании баланса своих потребностей и возможностей энергосистемы с использованием информации о характеристиках цен, объемов, надежности, качестве и др. 3. Сопротивление негативным влияниям: наличие специальных методов обеспечения устойчивости и живучести, снижающих физическую и информационную уязвимость всех составляющих энергосистемы и способствующих как предотвращению, так и быстрому восстановлению ее после аварий в соответствии с требованиями энергетической безопасности. 4. Обеспечение надежности и качества электроэнергии путем перехода от системно-ориентированного подхода (System-based approach) к обеспечению этих свойств к клиентоориентированному (Customer-based), и поддержанию различных уровней надежности и качества энергии в различных ценовых сегментах. 5. Многообразие типов электростанций и систем аккумулирования электроэнергии (распределенная генерация): оптимальная интеграция электростанций и систем аккумулирования электроэнергии различных типов и мощностей путем подключения их к энергосистеме по стандартизованным процедурам технического присоединения и переход к созданию «микроэнергосистем» (Microgrid) на стороне конечных пользователей. 6. Расширение рынков мощности и энергии до конечного потребителя: открытый доступ на рынки электроэнергии активного потребителя и распределенной генерации, способствующий повышению результативности и эффективности розничного рынка. 7. Оптимизация управления активами: переход к удаленному мониторингу производственных активов в режиме реального времени, интегрированному в корпоративные системы управления, для повышения эффективности оптимизации режимов работы и совершенствования процессов эксплуатации, ремонтов и замены оборудования по его состоянию, и, как следствие, обеспечение снижения общесистемных затрат Реализация выдвинутых ключевых требований (ценностей) и осуществление функциональных свойств (принципиальных характеристик) рассматриваются в рамках концепции Smart Grid с позиций идентификации обеспечивающих их ключевых (базовых) технологических областей и технологий или технологического базиса, требующих соответствующего инновационного развития. Под технологическим базисом здесь понимается совокупность технологий, позволяющих обеспечивать согласованную структуру промежуточных и конечных продуктов и услуг на определенном этапе развития отрасли. В концепции Smart Grid при формировании технологического базиса за рубежом рассматривается как необходимый вопрос обеспечения технологической преемственности перехода от существующей технологической базы энергетики к новой с минимально возможными издержками. 27 В США и Европейском Союзе решение этих проблем предполагается путем создания некоего нормативного поля (пространства), формируемого в виде широкой системы стандартов и требований к функциям, элементам, устройствам, системе взаимодействий и т.д. (так, например, в США планируется разработка более 100 видов стандартов), в рамках которых разработчикам и производителям предоставлено право и возможность создания предложения, а пользователям (энергетическим компаниям и потребителям) – формирование «своей» Smart Grid, как они это для себя видят (принцип паззла). С целью создания нового, инновационного технологического базиса энергетики были сформированы пять групп ключевых технологических областей, обеспечивающих прорывной характер: измерительные приборы и устройства, включающие, в первую очередь, smart счетчики и smart-датчики; усовершенствованные методы управления: распределенные интеллектуальные системы управления и аналитические инструменты для поддержки коммуникаций на уровне объектов энергосистемы, работающие в режиме реального времени и позволяющие реализовать новые алгоритмы и методики управления энергосистемой, включая управление её активными элементами усовершенствованные технологии и компоненты электрической сети: гибкие передачи переменного тока FACTS, постоянный ток, сверхпроводящие кабели, полупроводниковая , силовая электроника, накопители и пр. интегрированные интерфейсы и методы поддержки принятия решений, управление спросом, распределенная система мониторинга и контроля (DMCS), распределенная система текущего контроля за генерацией (DGMS), автоматическая система измерения протекающих процессов (AMOS), и т.д., а также новые методы планирования и проектирования как развития, так и функционирования энергосистемы и ее элементов. интегрированные коммуникации, которые позволяют элементам первых четырех групп обеспечивать взаимосвязь и взаимодействие друг с другом, что и представляет, по существу, Smart Grid как технологическую систему. Реализация вышеизложенных ключевых требований (ценностей) в концепции Smart Grid основывается на следующих базовых подходах: 1. Ориентация на требования заинтересованных сторон и клиентоориентированность. Выработка и принятие решений по развитию и функционированию электроэнергетики осуществляется, как уже отмечалось, на основе баланса требований всех заинтересованных сторон с учетом ожидаемых ими выгод и затрат, где потребителю отведена ключевая роль активного участника и субъекта принятия решений путем самостоятельного 28 формирования своих требований к объему получаемой электроэнергии, качеству и характеру ее потребительских свойств и энергетических услуг. Таким образом, концепция Smart Grid предполагает переход к активному потребителю – по сути потребитель становится, с одной стороны, активным субъектом выработки и принятия решений по развитию и функционированию энергосистемы, а с другой - объектом управления, обеспечивающим наряду с другими реализацию ключевых требований. 2. Возрастание роли управления как основного фактора развития и способа обеспечения формируемых требований (ценностей) с соответствующим резким повышением управляемости, как отдельных элементов, так и энергосистемы в целом. Именно возрастание роли управления рассматривается как альтернатива обеспечению требований и функций в электроэнергетике за счет наращивания мощностей и связей (сетей), развития не столько через улучшение их традиционных физических, энергетических и технологических характеристик, сколько путем широкой (глубокой) адаптации, использования и внедрения в электроэнергетике решений и инноваций, в том числе из других отраслей, в первую очередь, информационно-коммуникационных и компьютерных технологий. Следует отметить, что именно такой подход был положен в отечественной электроэнергетике в основу решения проблемы повышения надежности (устойчивости) Единой энергетической системы и создания, уникальных до настоящего времени систем противоаварийного управления во второй половине XX века. 3. Информация выступает как главное средство обеспечения эффективного управления. При этом представляется принципиально важным подчеркнуть, что управленческие и информационные связи превращаются в системообразующий фактор, обеспечивающий переход к новому качеству: от энергетической к энергоинформационной системе. Энергоинформационная инфраструктура является базой для комплексного управления всей энергетической системой на базе концепции Smart Grid, включая технологическую интеграцию электрических и информационных сетей. Функциональные свойства энергосистемы на базе концепции Smart Grid Реализация ключевых требований (ценностей) на основе рассмотренных базовых подходов, по мнению идеологов концепции Smart Grid, могут быть обеспечены как путем развития традиционных, так и создания новых функциональных свойств энергосистемы и ее элементов. В рамках концепции Smart Grid для достижения ключевых требований (ценностей) предполагается развитие следующих функциональных свойств: 1. Самовосстановление при аварийных ситуациях: энергосистема и ее элементы должны постоянно поддерживать свое техническое состояние на уровне, обеспечивающим требуемые надежность и качество электроснабжения, путем идентификации, анализа и перехода от управления 29 по факту возникновения ситуации к превентивному (предупреждающему) ее появлению. Самовосстанавливающаяся энергосистема должна максимально возможно минимизировать сбои (возмущения) с помощью разветвленных систем сбора данных, и «умных» устройств (digital devices –англ.) реализующих специальные методы и алгоритмы поддержки и принятия решений, основанные, в первую очередь, на распределенных принципах управления. Диагностика состояния оборудования и оценка вероятных рисков его отказа основывается на измерениях, производимых в режиме реального времени на оборудовании электростанций, подстанций и линиях электропередачи. При этом под приоритетный контроль переводятся элементы системы, имеющие наибольшую вероятность отказа. Анализ последствий аварий, возможных при данном режиме работы, производимый в режиме реального времени, в энергосистеме на базе концепции Smart Grid определяет общее состояние сети, дает раннее предупреждение о возможном отказе сети и вырабатывает список необходимых незамедлительных действий оперативно-диспетчерского персонала, формирует и выполняет управляющие команды для исполнительных механизмов электроэнергетической системы. Кроме того, интеграция распределенных энергоресурсов увеличивает устойчивость всей системы, поскольку обеспечивает большое количество источников электроэнергии и позволяет создавать изолированные энергосистемы. 2. Мотивация активного поведения конечного потребителя: обеспечение возможности самостоятельного изменения потребителями объема и функциональных свойств (уровня надежности, качества и т.п.) получаемой электроэнергии на основании баланса своих потребностей и возможностей энергосистемы с использованием информации о характеристиках цен, объемов поставок электроэнергии, надежности, качестве и др. 3. Сопротивление негативным влияниям: наличие специальных методов обеспечения устойчивости и живучести, снижающих физическую и информационную уязвимость всех составляющих энергосистемы, способствующих как предотвращению, так и быстрому восстановлению ее после аварий в соответствии с требованиями энергетической безопасности. Энергосистема на базе концепции Smart Grid будет обладать способностью проактивно действовать по отношению к меняющимся системным условиям. Она будет отслеживать надвигающиеся проблемы в системе еще до того, как они повлияют на надежность и качество электроснабжения. Для этого будут применяться автоматические переключатели, «интеллектуальные» системы контроля, оборудование для альтернативного электроснабжения, средства визуализации и т.п.. С точки зрения безопасности энергосистема на базе концепции Smart Grid должна будет давать гибкий и адекватный ответ на любые несанкционированные вмешательства извне. Алгоритмы системы защиты 30 Smart Grid будут содержать элементы сдерживания, предотвращения, обнаружения, ответа и смягчения для минимизации нападения на сеть и ее влияния на экономику в целом. Такая низкая восприимчивость и гибкость сети, сделают её труднодоступной для террористических атак. 4. Обеспечение надежности и качества электроэнергии путем перехода от системно-ориентированного подхода (system-based approach – англ.) к обеспечению этих свойств к клиентоориентированному (user (customer)-based –англ.), и поддержанию различных уровней надежности и качества электроэнергии в различных ценовых сегментах. Smart Grid должна позволить значительно улучшить качество электроэнергии и надежности ее поставок. Интеллектуальные технологии, обеспечивающие двухсторонние коммуникации, и интегрированные в сеть, позволят энергетическим компаниям более оперативно определять, локализировать, изолировать и восстанавливать электроснабжение на расстоянии (удаленно) без привлечения «полевых» работников. Ожидается, что реализация концепции Smart Grid может снизить экстренные вызовы до 50%. Удаленный мониторинг и контролирующие устройства системы могут создать самовосстанавливающуюся сеть, которая может сокращать и предотвращать перебои, а также продлевать срок службы подстанционного и распределительного оборудования. Энергетическая система на базе концепции Smart Grid должна обладать возможностью дифференцировать услуги электроснабжения посредством предложения разных уровней надежности и качества электроснабжения по разной цене, обеспечивая в режиме реального времени мониторинг, диагностику и быструю реакцию на изменения надежности и качества электроснабжения. Уровень надежности электроснабжения может варьироваться от «стандартного» до «премиум», в зависимости от предпочтений потребителя. Обеспечение разных уровней надежности электроснабжения потребует особой фокусировки на устранении неполадок в сети. Smart Grid должна обеспечивать возможность быстро определять причину и источник проблем с надежностью и качеством электроснабжения, а также возможность динамически или автономно устранять эту проблему быстро и эффективно. 5. Многообразие типов электростанций и систем аккумулирования электроэнергии (распределенная генерация): оптимальная интеграция электростанций и систем аккумулирования электроэнергии различных типов и мощностей путем подключения их к энергосистеме по стандартизованным процедурам технического присоединения и переход к созданию «микросетей» (мicrogrid - англ.) на стороне конечных пользователей. Усовершенствованные стандарты технического присоединения позволят подключать к системе электрогенерирующие источники на любом уровне напряжения, что станет дополнительным стимулом для развития распределенных источников электроэнергии. 31 Для потребителей, принимающих решения в отношении использования услуг энергоснабжающих организаций, и руководствующихся критерием эффективности и полезности должны быть созданы все условия для создания собственных генерирующих и аккумулирующих мощностей, в первую очередь, экологически-чистых источников энергии, такие как ветровые, биои солнечные электростанции, которые рассматриваются как ключевые в развитии электроэнергетики будущего. Энергетическая система на базе концепции Smart Grid должна упростить взаимосвязь распределенной генерации и систем хранения электроэнергии посредством создания стандартизованной взаимосвязи сетьгенерация, близкой концепции Plug and Play («подключи и работай»), применяемой в современных компьютерных системах. Распространение распределенной генерации создаст новые вызовы для сети благодаря своей более мобильной природе и менее стабильным характеристикам, которые могут порождать перебои и резкие понижения напряжения в сети. Ответ на эти вызовы может быть дан посредством более интенсивного привлечения информации, двусторонней коммуникации, «интеллектуального» контроля и правильной конфигурации распределенной генерации, хранения и управления спросом на электроэнергию. 6. Расширение рынков электроэнергии и мощности до конечного потребителя: открытый доступ на рынки электроэнергии активного потребителя и распределенной генерации, способствующий повышению результативности и эффективности розничного рынка. Энергосистема на базе концепции Smart Grid предоставит большие возможности по выходу на рынок, как потребителей, так и производителей за счет увеличения пропускной способности магистральных сетей, проведения инициатив по коллективному управлению потреблением, расположению распределенных источников энергии в распределительных сетях, ближе к потребителям. При этом, изменение статуса потребителя как участника рыночных отношений, обусловленное возможностью создания им собственных источников электроснабжения, направлено на развитие в электроэнергетике конкурентной среды, стимулирование предприятий отрасли к изменению подходов и бизнес-моделей, длительное время применяемых ими, но не достаточно эффективных в современных условиях. 7. Оптимизация управления активами: переход к удаленному мониторингу производственных активов в режиме реального времени, интегрированному в корпоративные системы управления, для повышения эффективности оптимизации режимов работы и совершенствования процессов эксплуатации, ремонтов и замены оборудования по его состоянию, и, как следствие, обеспечение снижения общесистемных затрат. Развитая система информации и баз данных резко увеличит возможности по оптимизации режимов работы и совершенствованию процессов эксплуатации оборудования, даст возможность проектировщикам и инженерам принимать оптимальные решения, в том числе и 32 инвестиционные. Совокупность этих изменений позволит повысить эффективность управления как капитальными затратами, так и затратами на техническое обслуживание и ремонты оборудования. Энергосистема на базе концепции Smart Grid будет использовать динамические данные, получаемые от оборудования и датчиков, чтобы оптимизировать пропускную способность сетей и снизить вероятность аварии. Она снизит системные потери, минимизирует простаивающие и резервные мощности, сократит капитальные затраты и затраты на обслуживание посредством оптимизации использования генерирующих и сетевых ресурсов и корректировки графика нагрузки. Информация о состоянии сети позволит предотвратить большинство аварий и намного быстрее провести ремонтные работы, когда авария все же случилась. Инженеры и проектировщики будут обладать необходимой информацией, чтобы строить «то, что нужно и там, где нужно»; продлить жизнь активов; производить ремонт оборудования до того, как оно неожиданно выйдет из строя. Сравнительная характеристика функциональных свойств сегодняшней энергетической системы и энергетической системы на базе концепции Smart Grid Энергетическая система сегодня Односторонняя коммуникация между элементами или ее отсутствие Централизованная генерация – Сложно интегрируемая распределенная генерация Топология - преимущественно радиальная Энергетическая система на базе концепции Smart Grid Двусторонние коммуникации Распределенная генерация Преимущественно сетевая Реакция на последствия аварии Реакция на предотвращение аварии Работа оборудования до отказа Самомониторинг и самодиагностика продлевающая «жизнь» оборудования Ручное восстановление Автоматическое восстановление «само-лечащиеся сети» Подверженность системным авариям Предотвращение развития системных аварий Ручное и фиксированное выделение сети Адаптивное выделение 33 Проверка оборудования по месту Удаленный мониторинг оборудования Ограниченный контроль перетоков мощности Управление перетоками мощности Недоступная или сильно запоздавшая информация о цене для потребителя Цена в реальном времени Кроме того, энергосистема на базе концепции Smart Grid создает новые рынки по мере того, как частный бизнес разрабатывает энергоэффективные и интеллектуальные устройства, умные счетчики, новые возможности считывания и коммуникации, пассажирский транспорт. Ниже приведены роли и основные функциональные и технические свойства развиваемых технологий, представленные в работах ведущих зарубежных исследовательских центров. Измерительные приборы и устройства Измерительные приборы и устройства, технологии считывания и измерения являются одной из ключевых технологических областей и важным компонентом современной энергетической системы на базе концепции Smart Grid. Эти технологии будут выполнять следующие функции: - оценивать состояние оборудования и уровень интегрированности сети, отражающего степень сосредоточения информации в едином центре; - обеспечивать непрерывный мониторинг данных, минимизировать ошибки при выставлении счетов; - способствовать оптимизации режимов сети и сокращению выбросов загрязняющих веществ за счет предоставления потребителю возможности регулировать спрос; - в будущем новые технологии цифровой связи в сочетании с цифровыми измерительными приборами и датчиками будут поддерживать более комплексные измерения и непрерывный мониторинг данных; - способствовать прямому взаимодействию между поставщиком услуг и потребителем. Предполагается, что эти элементы позволят обеспечить решение следующего спектра задач: 1. На уровне клиента современные сети не будут иметь электромеханических счетчиков и измерительных приборов. Вместо них будут установлены современные цифровые измерительные приборы и устройства, связанные, как с потребителем, так и с поставщиком услуг. Микропроцессоры в этих передовых измерителях будут осуществлять 34 широкий спектр функций. Как минимум, они будут фиксировать затраты в течение всего процесса производства, передачи и распределения электроэнергии. Большинство клиентов также сможет регистрировать информацию о предполагаемых критических сигналах, например, пика цен, предоставляемую энергоснабжающей организацией. Так же измерительные устройства будут уведомлять клиента о прохождении критического уровня загрузки сети. Усовершенствованные измерительные устройства будут осуществлять функции желаемого уровня расхода электроэнергии, график которого программируется клиентом. В зависимости от изменений цен на электроэнергию, устройства будут автоматически контролировать нагрузку клиента в соответствии с этим графиком. Кроме того, новые измерительные устройства будут обеспечивать расширение предоставляемого перечня коммунальных услуг, таких как пожарная и охранная сигнализация и др. Новые подходы будут реализовываться на основе цифровых коммуникационных возможностей Интернета, с использованием стандартных Интернет-протоколов, а также надежных и распространенных способов подключения таких как, беспроводные, BPL и даже оптоволоконная сеть в зданиях. Интеграция их, например, с системами безопасности будет обеспечивать предотвращение взломов и нарушений. 2. На уровне коммунальных предприятий, усовершенствованные технологии считывания и измерений расширят спектр предоставляемой информации операторам и диспетчерам энергетической системы, которая будет включать в себя, например: значения коэффициента мощности; параметры качества электроэнергии в пределах всей системы; WAMS (Wide Area Measurement System – англ.) - системы мониторинга переходных режимов энергосистемы; характеристику состояния оборудования; манипуляции с измерениями и данными датчиков; сведения о природных катаклизмах; определение мест повреждений; нагрузку трансформаторов и линий; профили напряжения сети; температуру критических элементов идентификацию отказов; профили и прогнозы потребления электроэнергии. Новые системы программного обеспечения будут собирать, хранить, анализировать и обрабатывать большое количество данных, проходящих через современные инструменты измерения и считывания. Обработанные данные затем будут передаваться в существующие и новые информационные системы обслуживающих компаний, выполняющих множество важнейших 35 функций бизнеса (биллинг, планирование, эксплуатация, работа с клиентами, прогнозирование, статистические исследования и т.д.). Будущие цифровые реле, которые используют интеллектуальные агенты, существенно повысят надежность энергетической системы. Широкие схемы мониторинга, защиты и контроля будут интегрировать цифровые реле, «усовершенствованную» связь и интеллектуальных агентов. В такой интегрированной распределенной системе защиты реле будут способны автономно взаимодействовать друг с другом. Такая гибкость и автономность повышает надежность, так как даже при сбоях, на каком-то участке сети, остальные реле на базе агентов продолжают защищать энергетическую систему. Прогнозируемые масштабы внедрений рассматриваемых технологий достаточно велики. Глобальная трансформация технологий измерения и считывания будет использовать множество интеллектуальных, взаимодействующих измерителей. Но, как показывает закон Мура, цены на чипы будут падать, даже если их вычислительная мощность будет вырастать. К тому же, как показывает история, требования связанные с всеобъемлющей, надежной и недорогой связью будут заметно доступнее, так как революция в цифровой связи все еще продолжается. Существует множество преимуществ от развития таких технологий в области измерения. Некоторые из наиболее важных перечислены ниже: Преобразование измерения в форме портала для потребителей и выхода для других технологий обеспечит информированность как потребителей так и энергоснабжающих компаний. Выгоды для потребителей: возможность принимать обоснованные решения по управлению нагрузкой; прямая связь с рынком электроэнергии в режиме реального времени; мотивация к участию в функционировании рынка; cнижение затрат на электроэнергию; Выгоды для энергоснабжающих компаний: контроль колебаний нагрузки; снижение эксплуатационных расходов; «поддержка» при перегрузках; снижение краж электроэнергии. Сбор данных Усовершенствованные датчики и новые методы измерения будут собирать необходимую информацию о состоянии всех элементов энергетической системы, и системы в целом. Дополнительные инструменты затем будут анализировать системные условия и выполнять в режиме реального времени анализ условий функционирования, а также в случае необходимости инициировать необходимые действия. Преимущества совершенствования процесса сбора данных: 36 более эффективное использование и техническое обслуживание активов; постоянный мониторинг и оценка состояния эксплуатируемого оборудования, его остаточного срока службы; выявление и предотвращение потенциальных сбоев и быстрая оценка возникающих проблем; своевременная передача информации о предаварийном состоянии операторам. Контрольно-измерительная аппаратура. Расширенный мониторинг, контроль и система защиты, а также DR (demand response управление спросом) инструменты, являются неотъемлемой частью надежной, самовосстанавливающейся сети. Далее приведены некоторые преимущества, которые будут реализованы в энергетической системе на базе концепции Smart Grid: сокращение каскадных отключений; предотвращение быстро развивающегося аварийного выхода из строя оборудования; контроль медленно развивающегося повреждения; оптимальное использование существующих активов; снижение перегрузок; более эффективные программы технического обслуживания активов; уменьшение количества отказов оборудования и снижение расходов ликвидацию аварий; минимизация негативного воздействия на окружающую среду; максимальное использование наиболее эффективных генерирующих устройств; снижение потерь при поставке электроэнергии. Основные выгоды преобразования измерения информации в дальнейшем существенно расширят сферу их применения: будут способствовать совершенствованию функционированию рынков электроэнергии и мощности, предоставляя потребителю возможность выбора и осуществления инвестиции, что приведет к сохранению капитала и сокращению эксплуатационных расходов энергетических компаний, формирования выгод для окружающей среды в результате повышения уровня экологической безопасности и выгод для экономики и населения от повышения уровня безопасности, надежности и качества электроснабжения. Информация от интеллектуальных приборов измерения может передаваться посредством: общедоступной беспроводной связи, принцип работы которой схож с беспроводным Интернетом; радиосвязи, с использованием специальных частот, более надежных, чем в случае общедоступной беспроводной связи; широкополосных электрических линий, в которые встроен Интернет; 37 электрических сетей с установленными на обоих концах линий модемами, которые позволят обмениваться информацией между потребителями и генерирующими компаниями. Внедрение информационных технологий – подразумевается усовершенствование коммунальных IT-технологий, для создания сервисноориентированной инфраструктуры (Service Oriented Infrastructure, SOA – англ.), используя общую информационную модель и общий двусторонний канал для передачи информации. Общая информационная модель (Common Information Model –англ.) – международный стандарт, обеспечивающий единую модель информационного обмена, охватывающую промежуток от потребительского счетчика до системы транспортировки электроэнергии. Существующие информационные системы не могут выполнять новые функции, требуемые приложениями Smart Grid, поэтому усовершенствование существующих технологий должно проходить вместе с внедрением новых устройств и компонентов. Инновационные технологии и компоненты электроэнергетической системы Инновационные компоненты и устройства базируются на последних достижениях науки и техники в таких сферах, как сверхпроводимость, силовая электроника, системы аккумулирования электроэнергии и диагностики. Примерами технологий в этих сферах являются устройства FACTS, высоковольтные системы передачи электроэнергии на постоянном токе, сверхпроводники, smart приборы, силовая электроникана базе современных полупроводниковых приборов, в том числе с использованием возобновляемых источников энергии. Распределенное производство электроэнергии (или распределенная генерация) – это концепция распределенных энергетических ресурсов, которая подразумевает наличие множества потребителей, производящих тепловую и электрическую энергию для собственных нужд, направляя их излишки в общую сеть. В настоящее время промышленно развитые страны производят основную часть электроэнергии централизованно, на крупных электростанциях: тепловых электростанциях на угле и природном газе, атомных и гидроэлектростанциях. Такие электростанции имеют высокие экономические показатели, но при этом передача электроэнергии осуществляется на большие расстояния. Другим подходом является распределенное производство электроэнергии, предполагающее максимального приближения электрогенераторов к потребителям электричества, вплоть до расположения их в одном здании. При этом снижаются потери электроэнергии при транспортировке, число и протяженность линий электропередач, которые необходимы для электроснабжения потребителей. 38 Появление новых технологий было вызвано потребностью увеличения управляемости электроэнергетических систем: недостаточной пропускной способностью межсистемных и системообразующих линий электропередачи, слабой управляемостью электрических сетей, недостаточным объемом устройств регулирования напряжения и реактивной мощности, неоптимальным распределением потоков мощности по параллельным линиям электропередачи разного класса напряжения и т.д. Управление на базе FACTS в последние годы начали внедрятся на объектах ЕНЭС. Реализация концепции Smart Grid в электроэнергетике сделала их одними из наиболее востребованных в электроэнергетике. К технологиям FACTS сейчас относятся устройства продольной компенсации как традиционного конденсаторного типа, так и регулируемые посредством тиристорно-реакторных групп, статические тиристорные компенсаторы, вставки постоянного тока, а также электромеханические преобразователи частоты (ЭМПЧ) на базе асинхронизированных синхронных машин АСМ (АС ЭМПЧ), управляемые реакторы и синхронные компенсаторы. Таким образом, в настоящее время под устройствами FACTS, как правило, понимается 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, а в итоге - повышения пропускной способности сети и снижения потерь. Существенную роль во всем многообразии устройств FACTS играет силовая электроника на базе различных модификаций преобразователей напряжения, использующих управляемые полупроводниковые вентили. Широкое внедрение систем FACTS совместно с новыми средствами телемеханики, мониторинга и управления позволяет обеспечить формирование системы передачи электроэнергии с новым качеством. Важную роль в функционировании систем FACTS играют накопители электрической энергии, выполняющие следующие функции: выравнивание графиков нагрузки в сети (накопление электрической энергии в периоды наличия избыточной (дешевой) энергии и выдачу в сеть в периоды дефицита; обеспечение в сочетании с устройствами FACTS повышения пределов устойчивости; обеспечение бесперебойного питания особо важных объектов, собственных нужд электрических станций; демпфирование колебаний мощности; стабилизацию работы децентрализованных источников электрической энергии. Накопители энергии делятся на электростатические и электромеханические. 39 К электростатическим накопителям энергии относятся аккумуляторные батареи большой энергоёмкости (АББЭ), накопители энергии на основе молекулярных конденсаторов, накопители энергии на основе низкотемпературных (охлаждение жидким гелем) сверхпроводников. Все типы электростатических накопителей связываются с сетью через устройства силовой электроники – зарядер-преобразовательные устройства. В настоящее время рядом зарубежных фирм начат выпуск и осуществляется довольно масштабное практическое применение АББЭ. Одним из основных элементов технологического базиса концепции Smart Grid являются «цифровые подстанции». В основу идеи построения цифровой подстанции заложена замена многочисленных проводных связей для обмена традиционными аналоговыми и дискретными сигналами на унифицированный обмен цифровыми сообщениями, обеспечивающими возможность распределенной реализации функций системы автоматизации подстанции и полную функциональную совместимость интеллектуальных электронных устройств различных производителей. Наиболее полно на сегодня изучены вопросы обмена информацией в рамках стандарта МЭК 61850 для таких устройств и подсистем подстанции, как измерительные трансформаторы тока и напряжения, коммутационные аппараты, микропроцессорные терминалы релейной защиты и автоматики, АСУТП. При этом вопросы интеграции сложных видов электротехнического оборудования, и в первую очередь, силовых трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов, КРУЭ, выключателей должны рассматриваться в контексте функций самостоятельного анализа данных и самодиагностики. Широкие перспективы при реализации концепции Smart Grid связываются со сверхпроводящими кабельными линиями для систем передачи электроэнергии, которые превосходят по мощности передаваемой энергии в три - пять раз традиционные кабельные линии. Применение сверхпроводящих кабельных линий позволит существенно сократить потери электроэнергии, передавать большие потоки мощности при обычных габаритах кабеля, продлить срок эксплуатации кабельных линий, уменьшить площадь отчуждаемых под строительство кабельных линий земель в мегаполисах, обеспечить электроснабжение крупных потребителей в мегаполисах на напряжении 20 кВ . Инновационные компоненты Smart Grid играют важную роль в достижении рассмотренных ранее ключевых требований к энергосистеме, совершенствуя, с одной стороны ее физико-технические характеристики, а с другой - существенно повышающие управляемость, выступая активными элементами, обеспечивающими большие возможности по расширению и изменению допустимых состояний энергосистемы. Они могут применяться как в автономных приложениях, так и в сложных комплексных системах, таких как микросети или виртуальные электростанции. Достаточно часто микросети называют виртуальными электростанциями (далее – ВЭС), так 40 как, по сути, они являются объединением программ управления спросом и распределенными источниками энергии, что позволяет диспетчеру моделировать их, как ресурсы генерации. ВЭС позволяет энергетическим компаниям управлять значительным числом потребителей с большими объемами (емкостью), влияя на их набор опций, касающихся коммерческих операций. В этом плане использование ВЭС обеспечивает более тесную связь между оптовым и розничным рынками путем управления системой магистральных линий электропередачи и системой распределения и формирует двусторонний поток электричества и денег, который обеспечивает глубоко интегрированную систему оптимизации всем, что необходимо для эффективного управления сложным Smart Grid. В будущем предполагается, что функционирование энергосистемы будет осуществляться путем тесного взаимодействия между централизованными и распределенными децентрализованными генерирующими мощностями. Управление распределенными генераторами может быть собрано в единое целое, образуя микросети (microgrid) или «виртуальные» электростанции, интегрированные как в сеть, так и в рынок электроэнергии и мощности, что будет способствовать повышению роли потребителя в управлении энергосистемой. В целом при улучшении технологий интерфейса и поддержки принятия решений на месте, сети будут более надежно функционировать и менее частыми станут случаи отключения из-за природных явлений и человеческого фактора. С технологией IIDS сложные и обширные системы информации будут сведены к форматам, легко воспринимаемых обученным системным оператором, для выполнения следующих задач: понимание общего состояния сети и оказание поддержки самовосстанавливающемуся участку сети; поддержание безопасности сети и целостности за счет быстрого обнаружения и смягчения возможных угроз; мониторинг и контроль большого числа новых, децентрализованных источников электроэнергии (например, DER, DR, усовершенствованных функций хранения); оперативного рассмотрения возникающих вопросов качества электроэнергии; определение «уставшего» оборудования, что позволит вовремя производить замену оборудования, до того как сбой может привести к дорогостоящим отключениям; определение места расположения системных средств, человеческих ресурсов, портативного оборудования, а также физических объектов, таких как дороги, мосты и городские улиц, что позволит системным операторам значительно повысить безопасность работников и населения, создать безопасные условия для завершения реставрационных работ; 41 лучше понять и осуществлять минимизацию воздействия на окружающую среду улучшить общую эксплуатацию и техническое обслуживание всей системы передачи электроэнергии. Внедрение концепции Smart Grid главным образом повлияет на изменения в системе IT в результате существенного увеличения объема передаваемых и требуемых данных, которых ранее не было ни в одной энергетической компании. Прогнозируется, что количество данных, ежедневно поступающих из энергетической системы на базе концепции Smart Grid, будет составлять более 2% от общего объема данных системы. Другими словами, если общее количество данных, которые хранятся в центральной базе данных, занимает 10 Тегабайт, то, возможно ежедневное поступление до 200 Гигабайт только от систем управления и мониторинга Smart Grid. В этом случае в течение двух месяцев количество данных, поступаемых от Smart Grid, будет превосходить общее количество собранных данных от SCADA и коммерческой информации электросетевые компании за весь ее жизненный цикл. В первом же году работы электросетевые компании будут вынуждены увеличить размеры памяти на местах или центральной базы данных на 400%. Интегрированные коммуникации Из рассматриваемых пяти ключевых технологических областей, внедрение интегрированных коммуникаций является основной для развития всех других и необходимой базой для развития современной энергосистемы на базе концепции Smart Grid. Ее функционирование будет существенным образом зависеть от сбора данных, защиты и управления, т.е. от наличия эффективно интегрированной инфраструктуры связи. Поэтому методы и технологии коммуникаций имеют наивысший приоритет для создания современной энергосистемы Комплексная коммуникационная инфраструктура современной сети будет обладать следующими характеристиками: - универсальность - все потенциальные пользователи могут быть ее активными участниками; - целостность - инфраструктура работает на таком высоком уровне управляемости и надежности, что это становится заметно в случае, когда она перестает эффективно функционировать; - простота использования – логичные, последовательные и интуитивные правила и процедуры для пользователя; - экономическая эффективность – ценность предоставляемых услуг полностью оправдывает затраты; - стандартизация - основные элементы инфраструктуры и путей взаимодействия ее элементов четко определены и остаются стабильными в течение времени; 42 - открытость - открытая часть инфраструктуры доступна для всех сторон на недискриминационной основе; - безопасность - инфраструктура способна выдержать вмешательства третьих сил; - применимость - инфраструктура будет обладать достаточной пропускной способностью для поддержки не только нынешних функций, но также и тех, которые будут разработаны в будущем. Одним из основных преимуществ, которые будут получены от внедрения интегрированной коммуникации будет возможность самовосстановления сети. В Приложении 2 приведены сводные данные о применимости лучших зарубежных практик и технологий для МРСК. В «Энергетической стратегии-2030» намечены ориентиры развития сетевой инфраструктуры. Среди прочих задач, в ней значится применение нового поколения устройств силовой электроники, систем автоматического управления и защиты для решения проблемы полной наблюдаемости ЕЭС и управления электрическими режимами в реальном времени, что существенно повысит управляемость и эффективность ЕЭС и обеспечит повышение надежности электроснабжения потребителей до 0,999 – 0,9997 с текущего уровня 0,996. В «Энергетической стратегии-2030» декларируется выбор в пользу инновационного направления развития электроэнергетики России. Инновационная концепция развития электроэнергетики страны является, по сути, верным ответом на указанные вызовы мировой экономической ситуации, но имеет значительные сложности в реализации. В России имеются технологические предпосылки для инновационного развития: в нашей стране разработано и освоено промышленное изготовление целого ряда технических средств, являющихся элементами концепции Smart Grid, причем некоторые из них производятся только в России (например, управляемый шунтирующий реактор с подмагничиванием постоянным током). Реализация инновационного потенциала в электроэнергетике нашей страны связана, в первую очередь, со значительными единовременными финансовыми затратами, необходимый объем которых отсутствует в компаниях отрасли. Опыт зарубежных стран показывает, что без активного государственного участия реализация инновационных задач будет существенно затруднена: необходимы также меры поддержки развития российского технологического потенциала. В текущей ситуации внедрение инноваций и расширение номенклатуры выпускаемого электроэнергетического оборудования возможны посредством: переориентации генподрядчиков на продукцию отечественного (в том числе лицензионного) производства; загрузки мощностей и получения устойчивой прибыли производителями за счет сбыта продукции по долгосрочным контрактам; 43 создания программы поддержки и развития российских заводовизготовителей, в частности, специализирующихся на производстве высоковольтного электрооборудования; совершенствования законодательной базы в области защиты отечественных товаропроизводителей; всестороннего стимулирования российских разработчиков новой импортозамещающей продукции. В вопросах интеграции энергосистем и координированного управления Россия имеет определенный набор ключевых компетенций, особенно в научной и технологических сферах, которые могут быть развиты в рамках реализации новой концепции Smart Grid в России. Анализ показывает, что в России существуют достаточные предпосылки для развития концепции Smart Grid. В качестве наиболее общих научно-технических предпосылок следует, на наш взгляд, в первую очередь, рассматривать наличие сохранившихся ключевых компетенций, как относящихся к отдельным элементам технологического базиса: линии сверхвысокого напряжения переменного и постоянного тока, противоаварийная автоматика; элементы интеллектуальных технологий в магистральных сетях: СТАТКОМ, сверхпроводники; автоматизированное управление режимами работы энергообъединений; релейная защита и WAMS, так и отечественные работы по теории развития и управлению большими системами энергетики, кибернетике энергосистем, ряд идей и результатов которых, достаточно отчетливо прослеживаются в рамках развиваемой за рубежом идеологии Smart Grid. - 44 Раздел 3. Направления исследований и разработок, наиболее перспективные для развития в рамках платформы 1. Направления исследований и разработок, по которым участники платформы заинтересованы координировать свои действия и/или осуществлять кооперацию друг с другом на доконкурентной стадии. 1.1. Разработка принципов, методов и механизмов формирования интегрированных интеллектуальных систем энергоснабжения с активными потребителями и координированным управлением, обеспечивающих повышение надежности, безопасности и экономической эффективности энергоснабжения. 1.2. Разработка интеллектуальных технологий и средств мониторинга, диагностики и автоматического управления оборудованием и режимами работы сложных энергетических систем. 1.3. Разработка (адаптация) оборудования для интеллектуальных систем энергоснабжения 1.4. Выбор оптимальных схемных, технологических и управленческих решений для локальных энергетических систем с различным составом потребителей, интегрирующих различные виды возобновляемых видов энергии, аккумулирование энергии и традиционные энергоустановки. 1.5. Информационные и коммуникационные технологии, обеспечение кибербезопасности. 1.6. Нормативно-правовая и нормативно-техническая база (стандарты), обеспечивающая создание, функционирование и развитие ИЭС ААС 2. Кратко-, средне и долгосрочные приоритеты развития по направлениям кооперации участников платформы в сфере исследований и разработок на доконкурентной стадии Ниже приведены кратко-, средне и долгосрочные приоритеты развития по направлениям кооперации участников платформы в сфере исследований и разработок на доконкурентной стадии. Краткосрочные - Определение направлений применения и места расстановки новой интеллектуальной техники в ИЭС ААС. - Моделирование и методология оценки технологических и экономических эффектов применения интеллектуальных технологий с учетом приоритетов надежности и безопасности. Среднесрочные 45 - Разработка и организация производства интеллектуальных систем энергоснабжения. оборудования для - Развитие технологии мониторинга и диагностики электрических сетей. - Развитие систем управления. - Развитие принципов взаимодействия с потребителями и участия активного потребителя в работе ИЭС ААС. - Развитие интеллектуальных распределительных сетей и микросетей. Долгосрочные - Формирование концептуальной, методической, нормативно-правовой и нормативно-технической базы (стандарты), обеспечивающей создание, функционирование и развитие ИЭС ААС. - Развитие информационных и коммуникационных моделирование, обеспечение кибербезопасности. 3. Цели и задачи технологической уточненные/актуализированные исходя из состава направлений кооперации на доконкурентной стадии. технологий, платформы, и структуры Цели и задачи технологической платформы остаются неизменными и направлены на консолидацию и координацию деятельности сторон, заинтересованных в развитию интеллектуальных технологий в энергетике. 4. Группы технологий, которые предполагается развивать в рамках технологической платформы. Ниже приведены группы технологий, развивать в рамках технологической платформы. которые предполагается - Устройства регулирования (компенсации) реактивной мощности и напряжения, подключаемые к сетям параллельно. - Устройства регулирования параметров сети (сопротивление сети), подключаемые в сети последовательно. - Устройства, сочетающие функции первых двух групп – устройства продольно-поперечного включения. - Устройства ограничения токов короткого замыкания. - Накопители электрической энергии. - Преобразователи рода тока (переменный ток в постоянный и постоянный ток в переменный). - Кабельные линии электропередачи постоянного и переменного тока на 46 базе высокотемпературных сверхпроводников. - Математическое моделирование для решения задач целостного управления развитием и функционированием энергосистем (Единой энергосистемы страны, объединенных энергосистем, распределительных сетей, микросетей). 5. Перечень продукции платформы Ниже приведен перечень продукции платформы с разбивкой по направлениям исследований и разработок, наиболее перспективных для развития в рамках платформы. Разработка интеллектуальных технологий и средств мониторинга, диагностики и автоматического управления оборудованием и режимами работы сложных энергетических систем. 5.1. Оборудование и программно-аппаратные комплексы для интеллектуальных энергетических систем, обеспечивающие повышение надежности, безопасности и экономичности систем энергоснабжения за счет контроля состояния установленного оборудования в реальном времени с учетом фактических условия его эксплуатации, определения тенденций и прогнозирования характеристик, а также автоматического реконфигурирования системы в соответствии с текущим энергопотреблением или в случае аварийной ситуации 5.2. Цифровые подстанции ЕНЭС. Под «цифровой» подстанцией (ЦПС) понимается подстанция с высоким уровнем автоматизации управления, в которой практически все процессы информационного обмена между элементами ПС, обмена с внешними системами, а также управления работой ПС осуществляются в цифровом виде на основе протоколов МЭК 5.3. Технологии мониторинга и диагностики воздушных линий электропередачи, силовых трансформаторов, выключателей и КРУЭ. 5.4. Системы идентификации моделей энергосистем с использованием данных СМПР. Цифровые сетевые моделирующие платформы реального времени. 5.5. Информационные комплексы на базе современных технологий, осуществляющие высокоточное определение и сбор синхронизированных режимных параметров в узлах сети в режиме реального времени и интеграцию полученных данных в единое информационное пространство на базе общих информационных моделей (СИМ-моделей). 5.6. Системы автоматического генерирующего оборудования. управления мощностью 5.7. Системы распределенного расчета режимов энергосистем с использованием многоуровневых моделей — на основе сетевых технологий 47 (GRID-технологий). 5.8. Алгоритмы выявления предаварийных состояний энергосистем и на основе методов оценивания состояний и параметрической идентификации. Разработка (адаптация) оборудования для интеллектуальных систем энергоснабжения Технические средства активно-адаптивных сети, обеспечивающие ее управляемость, в том числе основные группы: 5.9. Управляемые устройства компенсации реактивной мощности - Реакторные группы, коммутируемые выключателями (ВРГ). Управляемый шунтирующий реактор с подмагничиванием постоянным током. Статические тиристорные компенсаторы (СТК). Статический компенсатор реактивной мощности на базе преобразователя напряжения (СТАТКОМ) Электромашинные устройства, асинхронизированные компенсаторы (АСК). 5.10. Устройства регулирования параметров сети Управляемые устройства продольной компенсации (УУПК). Фазоповоротное устройство (ФПУ). 5.11. Устройства продольно-поперечного включения 5.12. Преобразователи вида тока 5.13. Устройства ограничения токов к.з. 5.14. Накопители электрической энергии 5.15. Сверхпроводящие силовые кабели Выбор оптимальных схемных, технологических и управленческих решений для локальных энергетических систем с различным составом потребителей, интегрирующих различные виды возобновляемых видов энергии, аккумулирование энергии и традиционные энергоустановки. 5.16. Технические требования к оборудованию, системам информационного и коммуникационного обеспечения программноаппаратным комплексам, моделям и алгоритмам управления, обеспечивающим создание и эксплуатация интеллектуальных микросетей. Микросети в общем виде определяются как сети низкого напряжения с источниками распределенной генерации, накопителями энергии и контролируемой нагрузкой. Важным свойством микросетей является то, что, несмотря на функционирование в рамках распределительной системы, они 48 могут автоматически переводиться в изолированное состояние в случае аварий в сети и восстанавливать синхронизацию с сетью после устранения аварии с поддержанием требуемого качества электрической энергии. 5.17. Комплекс нормативно-правовых и нормативно-технических документов, технические требования к требования к оборудованию, системам информационного и коммуникационного обеспечения программноаппаратным комплексам, моделям и алгоритмам управления, обеспечивающим управление спросом крупных потребителей электроэнергии применительно к нормальным и аварийным режимам работы энергосистемы. Информационные и кибербезопасности. коммуникационные 5.18. Динамические управления. модели технологии, оценивания состояния обеспечение объектов 5.19. Интеллектуальные алгоритмы идентификации (моделирования и настройки моделей по данным мониторинга), реализующие построение нелинейных динамических моделей с использованием архивов технологических параметров режимов энергосистемы и базы знаний. 5.20. Алгоритмы выявления предаварийных состояний энергосистем и диагностики электротехнического оборудования на основе методов оценивания состояний и параметрической идентификации. 5.21. Цифровые времени, сетевые моделирующие платформы реального 5.22. Системы искусственного интеллекта (нейронные сети, нечеткие наблюдатели состояния, генетические алгоритмы распознавания аварийных ситуаций). 5.23. Прикладные методы оптимизации на основе распределенных вычислений, алгоритмы редукции математических моделей большой размерности и сетевых технологий (GRID –технологий). 5.24. СИМ-модели (Common Information Model, IEC 61790, IEC 61968) объектов ЕЭС. 5.25. Политика обеспечения информационной безопасности ЕЭС с учетом положений IEC 62351-8. 5.26. Технические требования к коммуникационной сети в ИЭС ААС для обеспечения возможности передачи всей необходимой информации с нижнего уровня в центры управления, включая информацию от поставщиков электроэнергии, измерительных устройств, потребителей, активных сетей и корпоративных систем. 5.27. Концепция использования технологий облачных вычислений для 49 диспетчерского управления, анализа, моделирования процессов ИЭС ААС, противоаварийного управления Нормативно-правовая и нормативно-техническая база (стандарты), обеспечивающая создание, функционирование и развитие ИЭС ААС 5.28. Перечень и программа разработки нормативно-правовой и нормативно-технической база (стандарты), обеспечивающей создание, функционирование и развитие ИЭС ААС 6. Направления собственных (российских) научных исследований и разработок, а также направления заимствований результатов исследований и разработок за рубежом Ниже приведены направления собственных (российских) научных исследований и разработок, а также направления заимствований результатов исследований и разработок за рубежом (импорт технологий). При разделении (в определенной мере условном) принималось во внимание уровень развития разработок в России и за рубежом и соответственно целесообразность использования имеющегося зарубежного опыта. Направления собственных (российские) научные исследования и разработки - Кибербезопасность. - Развитие технологий мониторинга и диагностики электрических сетей. - Развитие систем управления. - Математическое моделирование для решения задач целостного управления развитием и функционированием энергосистем (Единой энергосистемы страны, объединенных энергосистем, распределительных сетей, микросетей). - Устройства регулирования (компенсации) реактивной мощности и напряжения и регулирования параметров сети. - Устройства ограничения токов короткого замыкания. - Преобразователи рода тока (переменный ток в постоянный и постоянный ток в переменный). - Кабельные линии электропередачи постоянного и переменного тока на базе высокотемпературных сверхпроводников - Цифровые подстанции. - Системы автоматического управления мощностью генерирующего оборудования. - Системы распределенного расчета режимов энергосистем с использованием многоуровневых моделей — на основе сетевых 50 технологий (GRID-технологий). - Алгоритмы выявления предаварийных состояний энергосистем и на основе методов оценивания состояний и параметрической идентификации. Направления заимствований результатов исследований и разработок за рубежом - Использования технологий облачных вычислений для диспетчерского управления, анализа, моделирования, противоаварийного управления. - Принципы взаимодействия с потребителями, управление спросом. - Развитие интеллектуальных распределительных сетей и микросетей. - Накопители электрической энергии. - Технологии мониторинга и диагностики электропередачи, силовых трансформаторов. воздушных линий - СИМ-модели (Common Information Model, IEC 61790, IEC 61968). Раздел 4. Тематический план работ и проектов платформы в сфере исследований и разработок Детализированный план работ и проектов в сфере исследований и разработок, которые предполагается выполнить на первом этапе деятельности технологической платформы приведен в Приложении 3. 51 Раздел 5. Мероприятия по совершенствованию механизмов управления правами на результаты интеллектуальной деятельности С целью выявления возможностей и ограничений использования ранее созданных результатов интеллектуальной деятельности (РИД) для достижения целей и задач платформы, а также совместному использованию результатов интеллектуальной деятельности участниками платформы было проведено несколько обсуждений. Были констатированы следующие ограничения использования ранее созданных результатов интеллектуальной деятельности: распространение коммерческой тайны на РИД; непроработанность механизмов оценки РИД, порядка передачи РИД для совместного пользования, а также налоговых и иных последствий такой передачи. В настоящее время ведется работа по заключению соглашений о конфиденциальности с целью получения доступа к РИД и оценки целесообразности их совместного использования участниками платформы. Система мер по организационному, финансовому, экспертному и информационному обеспечению патентования результатов интеллектуальной деятельности, полученных в ходе реализации технологической платформы, не прорабатывалась, в виду отсутствия договорных конструкций, предусматривающих долевое финансирование создания РИД. Как правило, оформляются двусторонние договора между участниками платформы, в которых оговариваются права собственности и порядок патентования результатов. Раздел 6. Меры в области подготовки и развития научных и инженерно-технических кадров В области подготовки и развития научных и инженерно-технических кадров ГОУ ВПО "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" была проведена следующая работа: - Совершенствование образовательной программы магистрантов по направлению «Управление режимами электроэнергетических систем» совместно с ОАО «СО ЕЭС»; - Разработка, модификация образовательных программ на новой выпускающей кафедре электрических сетей и электротехники; - Расширение количества мест стажировок и практик магистрантов, обучающихся по программе подготовки специалистов для энергетических компаний; 52 - Организация новых конкурсных отборов претендентов из числа молодых сотрудников для финансирования научно-исследовательских стажировок. В основном вопросы подготовки и развития научных и инженернотехнических кадров решаются крупными компаниями – участниками платформы в рамках программ инновационного развития. Заключение Таким образом, в отчете представлены результаты предварительной работы по разработке стратегической программы исследований технологической платформы «Интеллектуальная энергетическая система России», включая: - анализ текущих тенденций развития рынков и технологий в сфере деятельности платформы; - прогноз развития рынков и технологий в сфере деятельности платформы; - направления исследований и разработок, перспективных для развития в рамках платформы. наиболее - тематический план работ и проектов платформы в сфере исследований и разработок (109 работ). - мероприятия в области создания результатов интеллектуальной деятельности и управления их распределением. - меры в области подготовки и развития научных и инженернотехнических кадров. 53