Smart energy systems of cities with an active-adaptive network (Smart Grid): now and future

Темы интеллектуальных энергетических систем городов, активно-адаптивных сетей, цифровизации энергосистем и подстанций все чаще поднимаются для обсуждения на тематических площадках, форумах и заседаниях различного уровня. Важность и перспективность развития интеллектуальных энергетических систем подчеркивают опубликованная «Дорожная карта» «Энерджинет» национальной технологической инициативы и активное строительство в последние годы сетевыми компаниями цифровых подстанций.

Несмотря на это, связанных вопросов с архитектурой, внедрением, актуальностью интеллектуальной энергетики, по‑прежнему много, и в этой связи интересно услышать мнение не только законодателей, но и производителей и интеграторов решений и оборудования. Сегодня мы побеседовали на эти темы с исполнительным директором АО «Электронмаш» Андреем Литвиненко.

– Тема интеллектуальных активно-адаптивных энергетических сетей сегодня все чаще поднимается на разных уровнях. Как вы считаете, насколько актуальны и востребованы активно-адаптивные энергетические сети в городах?

– Для того чтобы разобраться, что такое интеллектуальные энергетические системы городов с активно‑адаптивной сетью, предлагаю для начала взглянуть на вопрос шире: а что такое интеллектуальные системы городов в целом, без привязки только к энергетике?

Для этого необходимо представить будущее, в котором все эти системы уже существуют. В этом будущем в городах созданы и работают интеллектуальные электрические сети, интеллектуальные тепловые сети, сети водо‑ и газоснабжения, интеллектуальный наземный транспорт и метрополитен, интеллектуальные экстренные службы, интеллектуальные услуги, даже здания являются интеллектуальными. Все эти городские сферы в режиме реального времени обмениваются актуальной информацией друг с другом через единую систему управления городом. Например, сбой в работе метрополитена автоматически влияет на схему и интервалы движения наземного транспорта, а отключение линии электропередачи приводит к автоматическому изменению схемы электроснабжения района. Из этой же системы управления городом актуальную информацию получают городские власти и население, первые – для повышения эффективности управления, вторые – для своевременного информирования и получения услуг.

В целом, работа такой системы приводит к существованию саморегулируемой городской сети, в жизни которой участвуют и правительство, и жители, что называется, «в режиме реального времени». Получение обратной связи от населения позволяет своевременно вносить коррективы в алгоритмы работы саморегулируемых систем, тем самым непрерывно повышая эффективность работы городских служб. Непосредственно электрическая сеть такого города также является активно‑адаптивной, то есть способной меняться и подстраиваться под процессы, происходящие в ней, с целью сохранения бесперебойного электроснабжения в оптимальных режимах. Взаимно дополняющими участниками такой сети являются источники генерации (как традиционные, так и возобновляемые), магистральные и городские электрические сети со своими подстанциями, а также потребители, как с собственными источниками генерации, способными выдавать в сеть избыток мощности, так и без таковых.

Для автоматической работы такой сети, помимо городского центра управления, вносящего управляющие команды на глобальном уровне, необходимы локальные (узловые) центры управления, от которых зависит повседневная работа отдельных сегментов сети.

Активно‑адаптивная электрическая сеть, или в некоторых источниках Smart Grid, является саморегулируемой системой энерго‑обеспечения города. Она обеспечивает: анализ энергопотребления отдельных потребителей и групп, накопление энергии при избытках выработки и выдачу в сеть при дефиците мощности, автоматическую реконфигурацию сети электроснабжения при нештатных ситуациях, автоматическую реконфигурацию устройств защиты и автоматики в зависимости от режимов, информирование смежных систем о происходящих событиях в сети.

– Какие объекты являются участниками активно-адаптивной энергетической сети? Кто из них существует в традиционных сетях и готовы ли они в существующем виде к работе в составе активно-адаптивной сети?

– Я бы разделил всех участников активно‑адаптивной сети на три группы по степени их присутствия в традиционных сетях и уровню готовности к работе в составе активно‑адаптивной сети.

Первая группа – это традиционная генерация, межсистемные и магистральные сети. Участники этой группы являются неотъемлемой частью сегодняшней электрической сети и имеют высокую степень готовности для работы в составе активно‑адаптивной сети. На объектах этой группы уже достаточно давно и активно работают такие системы, как противоаварийная и технологическая автоматика, телемеханика и АСУ ТП, релейная защита и автоматика.

Вторая группа – это и потребители без источников генерации, и городские сети, питающие этих потребителей, и сюда же можно отнести узловые центры управления. Эта группа также является существующей в сегодняшних сетях, но ее элементы полностью или частично не готовы для работы в составе активно‑адаптивной сети. Это связано с тем, что городские электрические сети всегда строились на основе простого и недорогого оборудования. По низкой стороне городских подстанций защита, как правило, строилась на предохранителях, поэтому говорить об удаленном управлении и автоматическом изменении каких‑то параметров работы городских сетей в существующем виде невозможно. Поэтому одним только оснащением городских подстанций интеллектуальными устройствами здесь не ограничиться – требуется комплексная реконструкция с заменой основного электротехнического оборудования на поддерживающее дистанционное и автоматическое управление. Практически та же ситуация и на стороне конечных потребителей: максимум, что сегодня передается в энергоснабжающую организацию в автоматизированном виде, – это показания данных коммерческого учета. Поэтому сегодня у потребителей отсутствует возможность влиять на работу питающей сети в зависимости от тех процессов, которые происходят у самих потребителей.

Возобновляемая генерация, потребители, имеющие в своем составе источники мини‑ и микрогенерации, а также Центр управления городом – это третья группа участников активно‑адаптивной сети, которая сегодня практически отсутствует. Солнечные и ветряные электростанции, строящиеся сегодня в России, не оснащаются системами накопления энергии, поэтому не способны в часы пиковой выработки накапливать энергию и выдавать ее в сеть при провалах, а потребители, имеющие небольшие по мощности солнечные панели или «ветряк», не имеют юридической возможности выдавать в сеть излишки выработки. Эти аспекты не позволяют строить децентрализованные активно‑адаптивные системы электроснабжения, работающие по технологии энергетического блокчейна – системы, управляющей несколькими торговыми соглашениями между потребителями, которые покупают избытки выработанной электроэнергии непосредственно у изначального производителя без дополнительных затрат и торговой наценки, оперативно меняющей стоимость этой электроэнергии в зависимости от потребностей и объемов излишек. Таким образом, краеугольным камнем в этой группе участников активно‑адаптивной сети являются накопители электрической энергии, а точнее их отсутствие в составе возобновляемой генерации.

– Какое же оборудование делает пассивную электрическую сеть активно-адаптивной?

– В настоящее время функционирование любой действующей энергосистемы базируется на принципе баланса выработанной и потребленной электроэнергии в каждый момент времени, независимо от схемы существующей сети, таким образом, накопление излишков электроэнергии при провалах потребления не предусмотрено.

Появление в сетях накопителей электроэнергии позволит стабилизировать режимы работы источников генерации: в часы провалов потребления будет осуществляться накопление, а в часы пикового потребления накопители будут выдавать недостатки электроэнергии в сеть – в идеально сбалансированной ситуации генераторы круглосуточно будут работать в номинальном режиме.

Применительно к возобновляемым источникам генерации (ВЭС, СЭС и т. п.) совместная работа с накопителями электроэнергии особенно актуальна, поскольку позволяет обеспечить стабильную выдачу электроэнергии в сеть, в том числе в ночные часы (СЭС) и в безветренную погоду (ВЭС), без необходимости задействовать для покрытия кратковременных небалансов мощности традиционные тепловые электростанции.

Еще один важный аспект работы активно‑адаптивной сети – это возможность регулирования реактивной мощности. В случае с солнечными или ветряными электростанциями используемый в их составе конвертер напряжения способен практически без задержек времени не только компенсировать реактивную мощность, но и выдавать ее в сеть. А как же остальные сети, работающие от традиционных источников генерации?

В существующих сетях для целей компенсации используют УКРМ и шунтирующие реакторы, на электростанциях – синхронные компенсаторы. Каждое из этих устройств имеет свои преимущества и область применения, но недостатками этих устройств являются небольшая зона дискретного регулирования (УКРМ и шунтирующий реактор) или большая инерционность (синхронный компенсатор). Для работы в составе активно‑адаптивных сетей целесообразно использовать современные решения – статические компенсаторы реактивной мощности на базе конвертеров (СТАТКОМы).

СТАТКОМы способны мгновенно компенсировать реактивную мощность в точке подключения, улучшая показатели статической и динамической устойчивости энергосистемы. Кроме того, применение СТАТКОМов позволяет в автоматическом режиме регулировать уровень напряжения в узлах сети в нормальных и аварийных режимах, обеспечить несинхронную связь двух энергосистем, сократить потери в воздушных линиях. С целью автоматической реконфигурации сети электроснабжения и /или устройств защиты и автоматики в зависимости от режимов, подстанции, работающие в составе активно‑адаптивной сети, должны быть цифровыми.

– Обязательно ли подстанции для такой сети должны быть цифровыми?

– Это правильный вопрос, который необходимо задавать себе в современном мире, так как утверждение, что для построения активно‑адаптивной сети все подстанции должны стать истинно цифровыми, не совсем правильно. Шаги по созданию цифровых подстанций предпринимаются в России на протяжении уже более десяти лет, и созданные в этот период подстанции, безусловно, нельзя считать полностью цифровыми, скорее они являются условно цифровыми, в которых применены МЭК61850 GOOSE и ММS, но тем не менее эти подстанции уже сейчас могут стать полноценными участниками активно‑адаптивной сети. Жизненный цикл любой подстанции составляет не менее тридцати лет, по факту – они работают по сорок‑пятьдесят лет, а где‑то и больше, в связи с чем очень важно, чтобы идеологические решения, закладываемые при создании сети таких подстанций, позволяли в дальнейшем не только использовать, но и расширять те технологии, которые сейчас находятся в стадии активного развития и апробирования на реальных объектах.

Вопрос, строить или нет ту или иную подстанцию в цифровом виде, необходимо решать в комплексе, в рамках сетевого предприятия и с учетом будущего развития сети. К примеру, если в каждом сетевом предприятии вы построите по одной цифровой подстанции, то решите вопрос получения персоналом опыта работы с цифровой подстанцией, но в целом сети этих предприятий не станут активно‑адаптивными, так как само понятие сеть предусматривает взаимодействие подстанций, обладающих одинаковым функционалом. В то же время цифровая подстанция заиграет новыми свойствами, как только появится сеть таких подстанций. Ни для кого не секрет, что стоимость цифровой инновационной подстанции сейчас обходится дороже условно цифровой в связи с тем, что инновационные технологии в полном объеме резервируют классическими.

При этом условно цифровые подстанции с использованием МЭК61850 GOOSE и ММS уже давно стали привычными, при строительстве таких подстанций уже не перестраховываются и не резервируют эти решения классическими связями. Именно поэтому использование условно‑цифровых подстанций позволяет обеспечить цифровизацию технологии на уровне не единичных подстанций, а целых сетевых районов, с целью обеспечения функционирования в режиме реального времени активно‑адаптивных сетей без излишнего удорожания строительства. Тут следует отметить и интересный опыт крупных промышленных предприятий, которые в настоящий момент в меньшей степени тяготеют к активно‑адаптивным сетям или к построению именно цифровых подстанций в полновесном понимании этого слова. Однако эти предприятия уже сейчас активно закладывают оборудование с возможностью дистанционного управления и поддержкой протоколов МЭК61850 GOOSE и ММS для обеспечения в будущем функций расширенного сетевого управления, внедрения противоаварийной разгрузки технологических установок, всевозможных логических защит, мониторинга состояния оборудования электроснабжения и обеспечения ремонтов по фактическому состоянию.

– Какое оборудование может предложить компания «Электронмаш» для цифровых ПС, предназначенных для работы в составе активно-адаптивной сети?

– Работая в различных сегментах рынка электротехнического оборудования, от энергетики до нефте‑ и газодобычи, нефте и газопереработки, мы разработали и успешно поставляем нашим заказчикам весь спектр оборудования собственного изготовления, способного работать в составе цифровых подстанций, а инжиниринговые услуги, оказываемые при комплексной поставке, гарантируют полную совместимость компонентной базы и оптимальное соотношение требуемого функционала и стоимости оборудования.

Залогом любого успешного внедрения при поставках оборудования для цифровых подстанций являются в первую очередь грамотные инженерные решения, включающие в том числе подбор оптимальной компонентной базы, проверенной многолетним опытом эксплуатации, а также тщательно выполненная инжиниринговая работа по созданию рабочей конструкторской документации. Не менее важным является выполнение всех операций по параметрированию этого оборудования и комплексной наладке в составе цифровой подстанции непосредственно на заводе‑изготовителе – это гарантирует заказчику минимальные временные и финансовые затраты на объекте.

Цифровые подстанции накладывают большое количество требований и особенностей к исполнению оборудования, например, существенно возрастают требования к обеспечению собственных нужд подстанций, а именно к системам оперативного постоянного тока. Именно поэтому в 2016 году было уделено особое внимание разработке масштабируемой линейки СОПТ «ExOnSys» с развитой системой диагностики и мониторинга зарядно‑выпрямительных устройств и аккумуляторных батарей.

Для обеспечения возможностей по автоматической реконфигурации схем электроснабжения на уровне 6‑35 кВ нами были разработаны полностью моторизированные КРУ 6‑10 кВ «Элтима» и КРУ 35 кВ «Элтима +» с наличием управления приводами выключателей, кассетно‑выдвижных элементов и заземляющих ножей. Такие модификации уже сейчас активно востребованы и серийно выпускаются как для установки в составе подстанций заказчика, так и в составе цифрового ЗРУ, когда заказчик получает полностью укомплектованное системами собственных нужд, включая СОПТ, здание с установленными и налаженными на заводе шкафами КРУ 6‑10‑35 кВ и шкафами сетевых коммуникаций. Такой подход обеспечивает интеграцию ЗРУ в состав объекта на уровне обмена файлами данных параметрирования.

Таким образом, отвечая на ваш вопрос, мы хотели бы подчеркнуть, что АО «Электронмаш» является предприятием «полного цикла», готовым оказать весь спектр работ  по созданию цифровой подстанции «под ключ», включая разработку рабочей документации, изготовление оборудования, монтаж, наладку и сдачу в эксплуатацию заказчику.

– Какие риски существуют при переходе энергетики на «цифровые рельсы»?

– Вопрос возникновения рисков при переходе энергетики на «цифровые рельсы» достаточно емкий, и им занимаются многие профессиональные организации, работающие в этом направлении, однако в любом случае для внедрения активно‑адаптивных сетей в жизнь потребуется провести еще огромную законотворческую работу, усовершенствовать устройства и оборудование, подготовить персонал нового формата, способный проектировать, строить, налаживать и эксплуатировать сети нового поколения и изготавливать оборудование для работы в их составе. Безусловно, в России такая работа ведется в сетевых компаниях и ведущих научно‑технических центрах, в рамках профильных комитетов СИГРЭ и, что особенно важно, с привлечением производителей оборудования. Квалификация наших специалистов и их практический опыт позволяют вести активную работу с разработчиками и идеологами стандартов и вносить свой посильный вклад в общее движение в цифровое будущее, а наша материально‑техническая база позволяет опробовать эти инновации, интерпретируя их непосредственно в оборудование, типовую документацию, и предлагать их энергетическому сообществу.