Технологии интеллектуальных электросетей

Технологии интеллектуальных электросетей -определяющий фактор обеспечения потребителей экологически чистой, надежной и высококачественной энергией.

Электрические сети являются важной инфраструктурой в любом современном обществе. Термин «интеллектуальная сеть» часто используется в электроэнергетике для описания цифрового варианта современной электрической сети.

Интеллектуальные сети создаются путем использования уже существующих и внедрением новейших технологий. Однако для этого требуется время и решение многих технических и организационных вопросов.

На съезде Национальной ассоциации губернаторов в США в феврале 2009 года директор одного крупного предприятия энергоснабжения начал свою речь с признания в том, что он не знает, что означает термин «интеллектуальная сеть»*. Это признание звучит шокирующе, однако так считают многие в инженерном сообществе.
Определение интеллектуальной сети может разниться, в зависимости от того, где вы находитесь.

В США, например, для определения интеллектуальной сети обычно используются следующие атрибуты:
cпособность самостоятельного восстановления после возмущений в энергосистеме;
обеспечение активного участия потребителей в регулировании энергопотребления в сети;
отказоустойчивость в условиях физических и кибернетических атак;
обеспечение качественной энергии в соответствии с требованиями 21-го века;
сочетание всех вариантов генерации и накопления энергии;
возможность реализации новых продуктов, услуг и рынков;
оптимальное использование производственных средств и повышение эксплуатационной эффективности.

* Термин «интеллектуальная сеть» (smart grid) иногда заменяется терминами «умная сеть» (intelligent grid), «современная сеть» (modern grid) и «сеть будущего» (future grid).

Согласно отчету Комиссии Европейского союза, интеллектуальная сеть в Европе характеризуется следующими свойствами:
гибкость: удовлетворение требований потребителей и способность реагировать на изменения и проблемы в будущем;
доступность: возможность подключения для всех участников сети. В частности, интеллектуальная сеть должна быть доступной для источников возобновляемой энергии и для эффективных локальных источников генерации с нулевым или низким уровнем выброса углерода;
надежность: сеть должна быть надежной и обеспечивать высокое качество подачи энергии. Она должна соответствовать стандартам века цифровой техники и обладать устойчивостью к возможным рискам и негативным воздействиям;
экономичность: оптимальный результат достигается за счет инноваций, эффективного управления распределением энергии и равных условий конкуренции и регулирования.

В Китае, стране с одной из самых крупных энергоемких экономик мира, также разрабатывается концепция интеллектуальной сети.

Согласно меморандуму Организации по американо-китайскому сотрудничеству в области экологически чистой энергии (JUCCCE) в декабре 2007 года, «термин «интеллектуальная сеть» относится к системе передачи и распределения электроэнергии, которая включает в себя элементы традиционной и современной энергетики, современные устройства мониторинга, информационные технологии и средства для обеспечения оптимальной работы сети и поддержки широкой номенклатуры дополнительных услуг для потребителей». Интеллектуальная сеть определяется скорее не технологиями, которые в нее входят, а тем, на что она способна.

Потребность в интеллектуальных сетях
Электричество – это самая универсальная и широко используемая форма энергии в мире. Более пяти миллиардов людей в мире имеют доступ к электрической энергии, и эта цифра увеличивается. Согласно прогнозу МЭА, мировой спрос на электроэнергию растет вдвое быстрее, чем спрос на первичную энергию и самый высокий темп роста наблюдается в Азии. Для удовлетворения такого спроса необходимо еженедельно в течение следующих 20 лет вводить в эксплуатацию электростанцию мощностью 1 ГВт со всей соответствующей инфраструктурой!
В то же время, в связи с возрастающим распространением цифровых технологий, общество требует энергии высокого качества и ее надежной поставки.
Проще говоря, сбои могут привести к значительным экономическим потерям.
Согласно прогнозу МЭА, мировой спрос на электроэнергию растет вдвое быстрее, чем спрос на первичную энергию.

Другая существенная проблема – это воздействие на окружающую среду
На долю CO2 приходится 80% парникового эффекта, а производство электроэнергии является самым значительным источником выброса CO2.
Поразительно, что более 40% выбросов CO2 на электростанциях приходится на традиционные электростанции. Чтобы снизить выбросы CO2 в атмосферу необходимы возобновляемая энергия, регулирование энергопотребления пользователей по запросу (DR — demand response), эффективность и энергосбережение. Однако рост доли возобновляемой энергии в системе несет с собой собственные проблемы; например, не только повышается неопределенность с подачей энергии, но и отдаленное географическое расположение ветряных электростанций и источников солнечной энергии еще больше увеличивают нагрузку на существующие инфраструктуры.

Наиболее актуальные технические сложности следующие:
экономичное повышение производительности сети при минимизации ее воздействия на окружающую среду;
повышение использования объектов сети с управлением и контролем передачи мощности;
управление и контроль передачей для снижения потери и потребления мощности в пиках нагрузки как в системе передачи, так и в системе распределения;
подключение к сети ресурсов возобновляемой энергии с локальных и удаленных установок и управление периодическими генерациями;
интеграция и оптимизация накопления энергии для уменьшения требуемой мощности сетей;
интеграция мобильного потребления (например, электромобили с зарядкой от электрической сети) для снижения нагрузки на сети;
снижение рисков нарушения электроснабжения; и если нарушение произошло, обнаружение и изоляция какихлибо возмущений в электросистеме и быстрое восстановление работы;
управление реакцией потребителей для сокращения нагрузки на сеть и для оптимизации использования объектов сети.

Компоненты технологии интеллектуальных сетей
Интеллектуальная сеть состоит из технологий, подразделяемых на четыре категории.
Нижний, или физический, уровень аналогичен мускулам в человеческом теле. Там происходит преобразование, передача, накопление и потребление энергии; уровень датчиков и приводов соответствует сенсорным и моторным нервам, которые воспринимают окружающее пространство и управляют мышцами; уровень связи соответствует нервам, которые передают сенсорно-моторные сигналы; и уровень принятия решений, соответствующий мозгу человека.
Уровень принятия решений состоит из всех компьютерных программ, работающих в реле, интеллектуального электронного устройства (IED), системы автоматики подстанции, центра управления или вспомогательного отдела предприятия.
Взаимодействие и безопасность играют важную роль в обеспечении повсеместной связи между системами различных сред и топологий и в поддержке оперативного подключения устройств, которые не могут конфигурироваться автоматически при подключении к сети.

Решения интеллектуальной сети
Интеллектуальные сети создаются с использованием существующих и новейших технологий. ABB была пионером в разработке технологий интеллектуальных сетей еще до того, как появился сам термин, и это подтверждается следующими примерами:

Система мониторинга переходных режимов (WAMS)
Система WAMS, (Wide area monitoring system) производства ABB собирает информацию о состоянии сети в реальном времени. Точные метки времени обеспечиваются спутником GPS. Система выполняет расширенный анализ сети, включая векторные данные для обнаружения какой-либо нестабильности.
В 2003 г. Массачусетский технологический институт (MIT) признал технологию WAMS одной из 10 технологий, которые могут изменить мир.

Системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA)
Системы SCADA контролируют тысячи точек измерения в удаленных терминалах в различных сетях. Они моделируют сети, имитируют работу под нагрузкой, определяют неисправности, упреждают отключения и участвуют в рынках сбыта энергии.
ABB реализовала более 5000 установок по всему миру – больше, чем любой другой поставщик. Самая большая система в мире, поставленная ABB, находится в Каматаке, Индия. Она контролирует 830 подстанций, поставляющих энергию для 16 миллионов человек. Система может увеличить энергетический КПД на 50% и сократить “потери времени потребителя” на 70%.

Система FACTS улучшает передачу энергии
Устройства гибкой системы передачи переменного тока FACTS компенсируют индуктивность линии для максимальной передачи энергии (последовательная компенсация) и обеспечивают возможность управления передачи энергии. В некоторых случаях пропускная способность энергосистемы даже может быть удвоена. Самый большой в мире статический компенсатор реактивной мощности (SVC), с рабочим диапазоном от +575 МВар (емкостный) до – 145 МВар (индуктивный) при 500 кВ находится в компании Allegheny Power (в США) и был поставлен компанией ABB. В общей сложности ABB поставила более 700 систем, или более 50% всех установок в мире.

Системы постоянного тока высокого напряжения (HVDC)
Системы HVDC преобразуют переменный ток генерируемой мощности в постоянный для передачи, до того как он будет преобразован обратно в переменный ток для использования потребителем. Система HVDC идеальна для передачи мощности из труднодоступных зон (например, под водой) и на большие расстояния с низкими потерями. Так, при использовании соединения постоянного тока сверхвысокого напряжения (UHVDC) в Китае протяженностью более 2000 км от электростанции Xiangjiaba до Шанхая, предусмотрено снижение потерь более чем на 30%!
Одна из самых длинных и мощных систем передачи электроэнергии в мире, поставленная ABB передает 6400 МВт и работает при напряжении ± 800 кВ.
Система HVDC снижает расходы на инфраструктуру (меньше опор линии передачи) что компенсирует более высокие инвестиции, необходимые в преобразовательных подстанциях.
ABB имеет более 50 лет опыта в технологии HVDC и является признанным лидером на рынке в этой области.

Обнаружение неисправностей и восстановление системы
Система автоматизации подстанции является ключевым компонентом в портфеле заказов ABB на интеллектуальные системы.
Эта система выполняет сбор данных, обеспечивает связь, технический надзор, защиту и оценку неисправностей.
До настоящего времени было продано более 700 таких систем. Самая крупная система автоматизации подстанций в Европе поставленная ABB, находится в Москве.

Управление в зданиях для оптимальной работы
Согласно Всемирному совету по устойчивому развитию (WBCSD) системы автоматизации, установленные в зданиях, могут сократить потребление энергии на 60%, при этом глобальное потребление может быть снижено на 10%. Системы управления зданием компании ABB обеспечивают индивидуальную регулировку помещений и приборов для максимально эффективного потребления энергии.

Солнечная энергия и гидроэнергия
ABB поставляет системы управления для гидроэлектростанций, ветряных и солнечных электростанций для интеграции в сеть электроэнергии, получаемой экологически чистым способом.
Такая система автоматизации с соответствующим электрооборудованием уже поставлена на первую в Европе солнечную электростанцию мощностью 100 МВт в Испании (Андасол). ABB поставила в Алжир полностью укомплектованную систему управления для первой в мире комплексной солнечной электростанции с комбинированным циклом (175 МВт).

ABB была лидером в технологии интеллектуальных сетей еще задолго до появления самого термина.

Морской парк ветроустановок
ABB является самым крупным в мире поставщиком электрооборудования и услуг для отрасли ветровой энергии.
Компания поставляет комплектные электрические системы для производства ветряной энергии, а также системы подводного соединения с береговыми сетями. Линия HVDC Light®, с безмасляными кабелями и компактными преобразовательными подстанциями, соединит с национальной энергосетью Германии морской парк ветроустановок Боркум – один из самых крупных парков такого типа в мире с мощностью до 400 МВт расположенный в Северном море на расстоянии 125 км от континента.

Накопление энергии для нейтрализации перерывов в электроснабжении
В объединенной сети общая электрическая мощность на входе и выходе должна быть все время сбалансированной.
Любой дисбаланс вызовет отклонение частоты в сети от нормального значения 50 или 60 Гц. Балансировка энергии является главной проблемой для коммунальных предприятий и особенно важна в том случае, когда в комбинированную систему энергоснабжения подключается большое количество периодической ветровой и солнечной энергии. Массовое накопление электрической энергии помогает компенсировать любой дисбаланс в системе и снижает необходимость в дорогостоящих мощностях вращающегося резерва. Аккумуляторные установки с преобразователями прямого тока в переменный ток являются одной из возможностей решения проблемы. Крупнейшая в мире система аккумулирования энергии установленная ABB с помощью аккумуляторных батарей (BESS) расположена в Фербэнксе.
Эта установка может поставлять энергию 26 МВт в течение 15 минут, обеспечивая коммунальному предприятию достаточное время для подключения резервного источника в случае аварии.

Построение сети 21 века
Технология интеллектуальных сетей – это не простое верное решение, а комплекс существующих и новейших технологий, работающих вместе. При правильной реализации эти технологии повысят эффективность производства, транспортировки и потребления энергии; повысят надежность и экономичность эксплуатации; интегрируют в сеть возобновляемую энергию и повысят экономическую эффективность благодаря электроэнергетическим рынкам и участию потребителей. Технологическое лидерство в течение века позволило ABB создать большой задел изделий и систем, которые будут востребованы для реализации интеллектуальных сетей 21 века.

Публикация составлена на основе материала Журнала ABB «ЭНЕРГИЯ РАЗУМА».