Интеллектуальные системы электроснабжения

В ходе реализации государственных программ в области энергосбережения потребление всех видов энергии в нашей стране за последние 15 лет снизилось более чем
в три раза.
Если в конце 1990-х гг. на 1 тыс. долл. ВВП приходилось 690 кг нефтяного эквивалента, то в настоящее время этот показатель составляет 240 (для сравнения в Украине – 560, в России – 580, в США – 158, во Франции – 130, в Германии и Японии – 111, в Великобритании – 91) [1].
В Программе социально-
экономического развития Республики Беларусь на 2011–2015?гг. поставлены задачи по уменьшению потребления энергии, развитию сотрудничества в области ее производства и транспортировки, совершенствованию механизмов экспортно-импортной политики в отношении энергоресурсов. Их выполнение во многом зависит от применения новейших технологий. В сфере электроэнергетики это связано с созданием интеллектуальных (умных) сетей (smart grids) за счет вертикальной и горизонтальной интеграции существующих систем управления генерированием, сбытом и потреблением электричества. Цель интеллектуализации в данном случае – обеспечение постоянного обмена энергией между большими и малыми электростанциями и потребителями, а также поддержание баланса ее производства и использования.
Актуальность применения данного новшества возрастает в связи с увеличением выработки энергии из чистых, возобновляемых и, в принципе, неограниченных источников, например ветра, солнца или воды. В этой связи во многих странах мира ведутся работы по созданию smart grids, что, по мнению многих экспертов, является важной предпосылкой для предстоящей смены технологических приоритетов в электроэнергетике. Подобные сети все чаще начинают рассматривать не только как драйвер модернизации, но и как часть экономики знаний. То есть простые меры энергосбережения уже исчерпаны и необходим переход к инновационной фазе, что подразумевает замену отдельных технических улучшений системными, связанными с повышением качества управления энергоресурсами как на уровне государства, так и на уровне конкретных субъектов хозяйствования и простых потребителей.

Понятия и определения smart grids
В вопросах, касающихся умных сетей, пока нет терминологической упорядоченности. Данное понятие стало известено с 2003?г. [2]. В настоящее время существует несколько названий этого перспективного направления развития энергетики: «умная сеть», «сильная сеть», «интеллектуальная сеть», «активно-адаптивная сеть». В самом общем виде им можно дать следующее определение. Это комплекс технических средств, которые в автоматическом режиме выявляют наиболее слабые и аварийно-опасные участки сети, а затем изменяют ее характеристики и схему с целью предотвращения поломки и снижения потерь. То есть данная система должна обладать функциями самодиагностики и самовосстановления и использовать передовые технологии для повышения эффективности передачи и распределения энергии. Исходя из этого, понятие smart grids включает в себя быстрорастущий комплекс процессов, устройств и приложений, призванных создать электронные коммуникации нового поколения. Возможности широкой интеграции цифровых технологий, сети информационных потоков для контроля над процессами и системами являются ключевыми составляющими при разработке умных сетей.
Наиболее полным определением smart grids, по нашему мнению, является следующее: это электрические сети, которые способны объединять деятельность всех вовлеченных участников (производителей, потребителей и выполняющих обе функции субъектов) для обеспечения устойчивости, экономичности и надежности поставок электроэнергии. Smart grids применяют информационные и коммуникационные технологии для сбора данных о генерировании и использовании электричества и позволяют автоматически повышать экономическую выгоду [2].
Таким образом, интеллектуальная сеть – это самоконтролирующаяся система, способная принимать энергию от любого источника и преобразовывать ее в конечный продукт для потребителей (тепло, свет, теплую воду) при минимальном участии людей.

Основные концептуальные положения smart grids
Эта технология подразумевает объединение электрических сетей потребителей и производителей энергии в единую систему, которая в реальном времени позволяет отслеживать, контролировать и управлять режимами работы всех ее участников. Актуальность такого подхода обусловлена тем, что развитие мировой экономики в долгосрочной перспективе все более будет определяться постепенной трансформацией энергетического рынка в рынок технологий, а не товаров, что приведет к изменению модели его работы. Одним из направлений этих изменений и является создание smart grids, для которых характерны следующие положения:
интеграция энергетических и информационных сетей;
совершенствование управления электропотреблением в сфере конечного потребления;
развитие энергосбережения, в том числе в коммунальном секторе;
создание технологий автономного и мобильного энергоснабжения;
образование сервисных компаний и, как следствие, смещение центра формирования прибыли от эксплуатации ресурсов к созданию новых энергетических технологий;
быстрый рост эффективного энергопотребления (полезной работы, выполняемой за счет потребления энергии) благодаря переходу к более качественному использованию различных видов энергии.
Естественно, что реализация этих положений является сутью перехода от количественных оценок энергии к качественным на основе информационно-энергетических систем. Это требует как совершенствования существующих моделей управления ресурсами на макроуровне, так и создания новых для мезо- и микроуровней (предприятий и отдельных домохозяйств), то есть в первую очередь речь идет о распределительных сетях. В понимании зарубежных экспертов именно они должны стать центром развития smart grids. Здесь намечается широкое внедрение систем распределенной автоматизации (с наделением каждого отдельно установленного устройства интеллектом) в сочетании с расширением коммуникационных возможностей для интеграции отдельных приборов в единую сеть обмена данными.

Предпосылки возникновения интеллектуальных сетей
Электросети строились по принципу улицы с односторонним движением, то есть энергия от нескольких мощных станций передавалась конечному потребителю. Однако с ростом ее доли, получаемой из возобновляемых источников, и увеличением числа домовладельцев, которые покупают автономные генераторы, создаются предпосылки к тому, что энергия и информация о ее наличии должны поступать не только из сети к пользователям, но и в обратном направлении. Это означает фундаментальную реорганизацию и переход от централизованной топологии сети на распределенную, когда производство и расход электричества осуществляются в пределах локальной системы. Одновременно за счет снижения зависимости от централизованных электростанций обеспечивается и большая надежность и устойчивость энергетической системы.
Учитывая, что в будущем в распоряжении потребителей появится значительное количество разнообразных источников электричества, требуется создание соответствующей системы управления распределением энергии. К примеру, в странах ЕС наряду с крупными генерирующими станциями существуют и многочисленные мелкие производители вплоть до так называемых активных домов, которые непотребленную электроэнергию возвращают обратно в сеть. Очевидно, что такая сложная система должна использовать возможности современных информационных технологий с высоким уровнем интеллектуализации, чтобы в автоматическом режиме оперативно реагировать на изменения различных параметров и осуществлять бесперебойное электроснабжение с максимальной экономической эффективностью при снижении влияния человеческого фактора.

Основные подходы
Одна из главных целей технологии smart grid заключается в стимулировании применения возобновляемых источников энергии, которые являются гораздо менее надежными, чем ископаемое топливо. И поэтому возникает потребность в более сложных системах регулирования и диагностики. Исходя из этого, создание smart grid предполагает наличие трех ключевых блоков управления:
потреблением,
аварийными режимами,
сетью в целом.
Требуется разработка и внедрение целого комплекса инновационного оборудования и технологий:
устройств, позволяющих повысить предел пропускной способности линий электропередачи;
высоковольтных приборов быстрого регулирования напряжения;
накопителей электроэнергии на базе мощных аккумуляторов (если в конкретный момент выработка энергии превышает потребление, smart grids собирают ее и подпитывают сеть, когда в этом есть необходимость).
Для создания данных систем нужны также «интеллектуальные розетки», чтобы обмениваться данными со счетчиками и находить оптимальное время для включения приборов (кондиционеров, кухонных плит, стиральных машин и сушилок и т.?д.), которые могли бы самостоятельно искать нужную информацию в электросети. К примеру, согласно амстердамскому проекту «умного города», в домах устанавливаются индикаторы, содержащие исторические и фактические данные по потреблению энергии и выявляющие способы ее экономии, применяются термостаты и автоматические выключатели питания вместо режимов ожидания.
Интеллектуальные сети должны в своем составе содержать устройства передачи разнородных по своему составу данных [3]. Согласно анализу международной исследовательской группы Gartner, основными технологическими трендами применения ИТ в энергетике являются:
ориентация ИТ-поставщиков на формирование добавленной стоимости для клиентов;
системы анализа и принятия решений;
веб-сервисы и Web 2.0;
мобильные технологии;
предоставление бизнес-приложений как сервисов;
инфраструктура интеллектуальных счетчиков;
единое управление информацией в масштабах всего предприятия.
Для малого бизнеса, индивидуальных предпринимателей и домохозяйств требуется разработка мобильных решений для аналитических расчетов в целях оптимизации энергопотребления и автоматизированных систем управления расходом электричества в соответствии с концепцией «умного дома». Это обеспечит постоянный аудит и позволит оперативно реагировать на возникающие проблемы, прогнозировать развитие ситуации. Естественно, что создание полнофункциональных smart grids предполагает изменения в организационной структуре систем управления энергоснабжением и в соответствующих нормативно-правовых актах. Только за счет этого, как свидетельствует опыт США, Канады, Японии и европейских стран, можно сэкономить 10–20% ресурсов.

Преимущества smart grids для Беларуси
Единая энергетическая модель нашей страны представляет собой централизованную систему, в которой большая часть электроэнергии вырабатывается крупными станциями, а затем поставляется потребителям. Ее преимущество состоит в том, что благодаря ограниченному числу генераторов удается достаточно просто поддерживать необходимый баланс между производством и использованием электричества.
При разработке программ по развитию отечественной энергетики должны учитываться основные мировые тенденции, а также специфика республики (строительство АЭС, диверсификация поставок и видов топливно-энергетических ресурсов, кардинальные меры по энерго- сбережению). Эти направления обозначены и реализуются в соответствии с основными государственными актами.
В качестве первоочередных мер целесообразно сформировать открытые базы данных по разработкам и примерам создания систем управления энергопотреблением в Беларуси и за рубежом, что ускорит изучение и масштабное применение опыта как крупнейших мировых компаний, так и бытовых систем, развиваемых в рамках концепций «умный город» и «умный дом». Важен также учет соотношения традиционных и альтернативных источников энергии. По экспертным оценкам, доминирующее положение первых сохранится до 2030?г. При этом в их общем объеме наибольшую долю сейчас и в перспективе будет иметь уголь, далее следует природный газ, а за ним нефть. Поэтому новые альтернативные источники пока используются в основном для местного и ограниченного обеспечения отдельных объектов и не интегрированы в национальные или трансграничные сети энергоснабжения.
Для перехода к постиндустриальному этапу развития важно учитывать глобальные тенденции. Мировой опыт показывает, что максимальные темпы экономического и энергетического роста наблюдаются в фазе индустриализации, а при переходе к информационному обществу они резко снижаются. Следовательно, актуальна задача выработки подходов к созданию постиндустриальной энергетики и адаптации к постнефтяной эпохе, так как современные отрасли экономики требуют надежного, гибкого и эффективного снабжения ресурсами.
Основополагающими национальными документами по данному вопросу являются Концепция энергетической безопасности, Директива Главы государства от 14.06.2007?г. №3, Стратегия развития энергетического потенциала Республики Беларусь. Их реализация осуществляется путем разработки и выполнения государственных программ совершенствования отраслей топливно-энергетического комплекса.
Интеллектуальная сеть – качественно новое состояние электрической сети, которое позволит вывести надежность электроснабжения на принципиально новый уровень, одновременно обеспечив высокую экономическую эффективность работы всей энергосистемы. Причем для этого не надо менять сами сети, достаточно лишь установить дополнительное оборудование и таким образом модернизировать отрасль. По различным данным, построение интеллектуальной энергосистемы с сетью позволит сократить потери в электрических сетях всех классов напряжения более чем на 25%, уменьшить потребность в новых мощностях, снизить объем капиталовложений в развитие распределительных и магистральных сетей за счет увеличения их пропускной способности.
Кроме того, перевод электрической сети в формат активно-адаптивной позволит повысить системную надежность электросетевого комплекса, снизить капиталовложения в строительство новых объектов, а также гибко регулировать перетоки мощности, обусловленные изменением генерации и потребления.
Стратегической целью энергетической политики Беларуси, согласно государственным актам, является создание устойчивой и способной к саморегулированию системы обеспечения региональной энергетической безопасности с учетом оптимизации территориальной структуры производства и потребления топливно-энергетических ресурсов [4].
В решении задач модернизации энергетической стратегии республики важно применять опыт передовых государств и корректировать национальную энергетическую стратегию в соответствии с целями и приоритетами устойчивого развития страны и с учетом тенденций, сложившихся в мировой энергетике. Важнейшей из них является переход на использование технологии smart grids путем повышения роли информационных технологий в управлении энергосистемами. Так, среднее количество ИТ-персонала в ведущих мировых компаниях генерации составляет 5,5% от общего числа сотрудников, что свидетельствует об интенсивном, а не экстенсивном развитии отрасли.
В ряде исследований по вопросам экономики делается также вывод, что переход от простых энергетических субсидий к адресным денежным трансферам может не только поддерживать экономический рост, но и создавать большие возможности для достижения целей справедливого распределения государственного бюджета.
Статья поступила в редакцию 26.08.2015?г.