Smart Grid

 

Авторы

Кобец Борис, Научный руководитель Центра энергоэффективности ЕЭС, к. т. н.

Волкова Ирина, Зам. директора Института проблем ценообразования и регулирования естественных монополий Государственного университета — Высшей школы экономики, д. э. н.

 

    В России наблюдается растущий интерес к бурно развивающемуся в последнее десятилетие во всем мире направлению преобразования электроэнергетики на базе новой концепции, получившей название Smart Grid.
    Однозначной и общепринятой интерпретации этого термина пока не существует. В различных публикациях Smart Grid трактуется несколько по-разному, отражая в первую очередь взгляды и позиции участвующих в разработке данного направления сторон в соответствии с их интересами. Государственные структуры в большинстве стран рассматривают Smart Grid как идеологию национальных программ развития электроэнергетики, компании-производители оборудования и технологий — как перспективную основу оптимизации бизнеса, энергетические компании — как базу для обеспечения устойчивой инновационной модернизации своей деятельности.
    Так, в соответствии с Европейской технологической платформой Smart Grid — это «электрические сети, удовлетворяющие требованиям энергоэффективного и экономичного функционирования энергосистемы за счет скоординированного управления и при помощи современных двусторонних коммуникаций между элементами электрических сетей, электрическими станциями, аккумулирующими источниками и потребителями» [1]; общую функционально-технологическую идеологию этой концепции, по-видимому, наиболее полно отражает сформулированное IEEE1 определение Smart Grid как концепции полностью интегрированной, саморегулирующейся и самовосстанавливающейся электроэнергетической системы, имеющей сетевую топологию и включающей в себя все генерирующие источники, магистральные и распределительные сети и все виды потребителей электрической энергии, управляемые единой сетью автоматизированных устройств в режиме реального времени [4]; министерство энергетики США позиционирует Smart Grid как «полностью автоматизированную систему, обеспечивающую двусторонний поток электрической энергии и информации между энергообъектами повсеместно. Smart Grid за счет применения новейших технологий, инструментов и методов наполняет электроэнергетику знаниями, позволяющими резко повысить эффективность работы отрасли...» [5]. NETL2 определяет Smart Grid как совокупность организационных изменений, новой модели процессов, решений в области информационных технологий, а также инноваций в сфере АСУ ТП и диспетчерского управления в электроэнергетике [2] и т. д.
    Проведенный нами анализ многочисленных материалов по этому вопросу, опубликованных за рубежом, показывает, что прежде всего Smart Grid трактуется сегодня во всем мире как концепция инновационного преобразования электроэнергетики, поскольку именно пересмотр ряда существующих базовых принципов модернизации отрасли и вытекающие из этого масштабы и характер задач обусловливают такое внимание к этому направлению.
    В основу концепции положена комплексная и всесторонне согласованная система взглядов на роль и место электроэнергетики в современном и будущем обществе, совокупное видение целей ее развития и подходов к их достижению, а также определение необходимого технологического базиса для реализации. Наиболее отчетливо это сформулировано в основополагающих материалах, представленных государственными структурами Европейского союза и США [1—6].
    Если принять во внимание темпы и масштабы распространения рассматриваемого направления за рубежом и объемы задействованных ресурсов, то становится вполне очевидно: Россия не может не быть вовлечена в этот процесс — хотя бы потому, что, как показано далее, через вполне обозримый промежуток времени мы столкнемся с появлением на рынке принципиально новых технологий и оборудования, которые заменят внедряемые в настоящее время, со всеми вытекающими из данного обстоятельства проблемами. О чем свидетельствует и нарастающая активизация в стране деятельности крупных компаний-производителей по созданию и освоению такого рынка.
    Исходя из этого представляется достаточно важным выявление и понимание основных положений развиваемой за рубежом концепции, начиная от причин ее возникновения и идентификации проблем (почему?), принятых подходов к их решению (что делать?) до выработанных принципов, методов и механизмов реализации (как?).
    Нами сделана попытка сформулировать эти ключевые положения на базе проведенного анализа многочисленных публикаций по данному вопросу. Учитывая сказанное выше (в части определения понятий и терминов), в последующем мы будем придерживаться трактовок, содержащихся в материалах министерства энергетики США, так как они, по нашему мнению, наиболее целостно и последовательно отражают суть рассматриваемой доктрины [2, 5].
    Необходимость выработки новой концепции развития электроэнергетики была продиктована экономическим ростом, неразрывно связанным с увеличением объема энергопотребления и повышением требований к качеству и уровню надежности энергоснабжения, наряду с чем возникли существенные ограничения технологического, экономического и экологического планов. В результате проведенного в США и ЕС глубокого анализа было показано, что успешное решение новых задач в рамках прежней концепции экстенсивного развития электроэнергетики преимущественно путем только наращивания мощностей и расширения количественного состава энергетического и электротехнического оборудования, даже обладающего улучшенными характеристиками, оказывается недостаточным. В этой связи за рубежом была инициирована разработка новой концепции инновационного преобразования электроэнергетики — Smart Grid, основанной на следующих исходных положениях:
    1. Системная модернизация отрасли затрагивает все ее составляющие: генерацию электроэнергии, передачу и распределение (в том числе в коммунальной сфере), сбыт и диспетчеризацию.
    2. Энергетическая система развивается как «интернет-подобная» инфраструктура для поддержки энергетических, информационных, экономических и финансовых взаимоотношений между всеми субъектами энергетического рынка и другими заинтересованными сторонами.
    3. Электрическая сеть (все ее сегменты) рассматривается как основной объект формирования нового технологического базиса, дающего возможность существенного улучшения прежних и создания новых функциональных свойств энергосистемы, обеспечивающих в наибольшей степени достижение ключевых целей, определенных в результате совместного выбора всеми заинтересованными сторонами.
    4. Процесс формирования концепции охватывает весь комплекс работ — от предварительных исследований до широкого внедрения инноваций — и ведется на научном, нормативно-правовом, технологическом, техническом, организационном, управленческом и информационном уровнях.
    5. Реализация концепции носит инновационный характер и дает толчок к переходу на новый технологический уклад в электро­энергетике и в экономике в целом.
    Методология разработки концепции Smart Grid использует принципы стратегического управления, фундаментом которого является стратегическое видение, иначе говоря, система взглядов на состояние объекта развития в будущем. Формирование стратегического видения должно отражать интересы широкого круга участников и создавать согласованный перечень конкретных задач с последующим определением направлений их решения.
    В рамках развиваемой концепции Smart Grid разнообразие требований всех заинтересованных сторон (государства, потребителей, регуляторов, генерирующих, сетевых и энергосбытовых компаний, коммунальных организаций, собственников, производителей оборудования и др.) сведено к группе так называемых ключевых ценностей новой электроэнергетики, сформулированных как:

  • доступность — обеспечение потребителей энергией в соответствии с необходимыми им параметрами времени, места и качества;
  • надежность — возможность противостояния энергосистемы физическим и информационным негативным воздействиям без тотальных отключений или высоких затрат на восстановительные работы, а также ее максимально быстрое восстановление (самовосстановление);
  • экономичность — оптимизация тарифов на поставку и снижение общесистемных затрат на производство и распределение электрической энергии;
  • эффективность — максимизация эффективности использования всех видов ресурсов и технологий при производстве, передаче, распределении и потреблении электроэнергии;
  • органичность с окружающей средой — снижение негативного воздействия на окружающую среду;
  • безопасность — недопущение ситуаций в электроэнергетике, потенциально опасных для людей и окружающей среды.
    Принципиально новым является то, что все ключевые требования (ценности) предлагается рассматривать как равноправные, их расположение и порядок выполнения нормативно не зафиксированы и могут определяться индивидуально для каждого субъекта отношений (энергокомпании, региона, города, домохозяйства и т. п.).
    В основу достижения вышеназванных целей в концепции Smart Grid заложены следующие базовые подходы:
    1. Учет интересов всех сторон и клиентоориентированность. Принятие решений по развитию и функционированию электроэнергетики происходит с помощью сбалансирования массива требований сторон в контексте ожидаемых ими выгод и затрат, где потребителю отведена роль активного участника процесса в части самостоятельного формулирования своих условий относительно объема получаемой энергии, характера ее потребительских свойств и качества энергетических услуг.
    2. Возрастание роли управления как ведущего фактора развития и способа реализации формируемых требований. Улучшение управляемости отдельных элементов и энергосистемы в целом.
    3. Превращение информационных связей в основополагающий элемент, обеспечивающий переход от энергетической системы к качественно новой — энергоинформационной. Причем информация выступает главным средством оптимизации управления.
    Реализация ключевых требований (ценностей) на базе рассмотренных подходов, по мнению идеологов концепции Smart Grid, может осуществляться как путем совершенствования традиционных, так и создания новых принципиальных характеристик энергосистемы. В рамках концепции Smart Grid развиваются следующие функциональные свойства электроэнергетики:
    1. Самовосстановление при аварийных возмущениях. Энергосистема и ее элементы постоянно поддерживают свое техническое состояние на требуемом уровне посредством идентификации рисков, их анализа и перехода от управления по факту возмущения к предупреждению аварийного повреждения элементов сети.
    2. Мотивация активного поведения конечного потребителя. Получатели энергии приобретают возможность самостоятельно менять ее объем и потребительские характеристики (уровень надежности, качества и т. п.) на основании баланса своих запросов и возможностей энергосистемы с использованием информации о параметрах цен, объемах генерации, надежности энергоснабжения и др.
    3. Сопротивление негативным влияниям. Применение специальных методов, 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 энерго­снабжения и качества электроэнергии в различных ценовых сегментах. Трансформация системоориентированного подхода (System based approach) в клиентоориентированный (Customer based).
    5. Многообразие типов электростанций и устройств аккумулирования электроэнергии (распределенная генерация). Оптимальная интеграция генерирующих и аккумулирующих мощностей в энергосистеме, подключение с помощью стандартизованных процедур технического присоединения и внедрение «микроэнергосистем» (Microgrid) на уровне пользователей.
    6. Расширение рынков мощности и энергии вплоть до включения в их деятельность конечного потребителя. Открытый доступ на рынки электроэнергии так называемого «активного потребителя» и распределенной генерации с целью повышения результативности и эффективности розничного сегмента.
    7. Оптимизация управления активами. Переход к удаленному мониторингу функционирования производственных фондов в режиме реального времени; интеграция такого мониторинга в корпоративные системы управления для повышения эффективности работы, совершенствования процессов эксплуатации, ремонта, замены оборудования и, как следствие, снижения общих затрат.
    Реализация ключевых ценностей и совершенствование функциональных свойств (принципиальных характеристик) рассматриваются в концепции Smart Grid также с позиции идентификации технологических областей, требующих соответствующего инновационного развития. Концепция исходит из необходимости пересмотра существующего и создания нового, инновационного технологического базиса энергетики. В этой связи сформированы пять групп основных технологических областей, обеспечивающих прорывной характер изменений:
  • измерительные приборы и устройства — в первую очередь smart-счетчики и smart-датчики;
  • усовершенствованные системы управления, содержащие распределенные интеллектуальные устройства и аналитические инструменты для поддержки коммуникаций на уровне объектов энергосистемы, работающие в режиме реального времени; операционные приложения нового поколения (SCAD/EMS/NMS-системы), позволяющие использовать новые алгоритмы и методики управления сетью, в том числе ее активными элементами — прежде всего FACTS;
  • усовершенствованные технологии и компоненты электрической сети, в частности гибкие системы передачи переменного тока FACTS, сверхпроводящие кабели, элементы полупроводниковой и силовой электроники и пр.;
  • интегрированные интерфейсы и системы поддержки принятия решений, такие как система SCADA, система управления спросом, распределенная система мониторинга и контроля (DMCS), распределенная система текущего контроля процессов генерации (DGMS), автоматическая система измерения протекающих процессов (AMOS) и т. д.; новые ИТ-решения по проектированию и планированию работы элементов энергосистемы;
  • интегрированные коммуникации, обеспечивающие взаимо­связь первых четырех технологических групп и гарантирующие инновационный уровень функционирования сети; в этом ряду: автоматизированные подстанции на базе современных интегрированных программно-аппаратных комплексов АСУ ТП с использованием МЭК 61850 (стандарта интеграции подстанционных систем); интегрированные системы измерений и учета потребления электроэнергии; телекоммуникационные системы на базе разно­образных линий связи — спутниковых, ВОЛС, ВЧ-связи по линиям электропередачи (BPL); системы мониторинга переходных режимов WAMS (Wide Area Measurement System); распределенные системы защиты и противоаварийной автоматики WAPS (Wide Area Protection System).
    Разработка и внедрение нового технологического базиса в рамках концепции Smart Grid повлечет следующие принципиальные изменения по сравнению с существующим состоянием энергосистемы:
  • переход от централизованных методов генерации и передачи электроэнергии к распределенным с возможностью управления объемами энергопроизводства и топологией сети в любой точке, в том числе на уровне потребителя;
  • замена централизованного прогнозирования спроса методологией активного влияния потребителя, который становится элементом и субъектом системы управления;
  • отказ от жесткого диспетчерского регулирования в пользу координации работы всех составляющих сети;
  • перевод на smart-технологии процессов контроля, учета и диагностики активов, что обеспечит перспективные возможности самовосстановления энергосистемы, а также эффективный режим эксплуатации основных фондов;
  • построение высокопроизводительной информационно-вычислительной инфраструктуры как ядра энергетической системы;
  • формирование предпосылок для широкого внедрения новых устройств, повышающих маневренность и управляемость оборудования, — гибких связей, вставок постоянного тока, накопителей энергии и т. п.
  • развитие распределенных интеллектуальных систем управления и аналитических инструментов для поддержки выработки и реализации решений в режиме реального времени;
  • создание операционных приложений следующего поколения (SCADA/EMS/NMS), позволяющих использовать инновационные алгоритмы и методы управления энергосистемой, в том числе и ее новыми активными элементами.
    Представляется, что с учетом вышеизложенного возможные сценарии развития рассматриваемого направления в России в значительной степени зависят от четкого выбора позиции и принятия соответствующих решений как минимум на отраслевом уровне в контексте организационно-экономического и технологического состояния и ресурсного (в широком смысле) потенциала электроэнергетики.
    Проведенный нами анализ показал, что для внедрения концепции Smart Grid в нашей стране имеются достаточные предпосылки [7]. В первую очередь необходимо упомянуть исследования отечественных ученых в области теории управления большими энергетическими системами и кибернетики энергосистем, ряд положений и результатов которых, на наш взгляд, достаточно отчетливо прослеживается в зарубежной идеологии преобразования электроэнергетики. Основываясь на приведенных в публикациях ведущих российских ученых выводах, следует полагать, что и уровень отечественных наработок в сфере нового технологического базиса также достаточен [8—10].
    Вместе с тем для реализации в России концепции Smart Grid существуют объективные сдерживающие факторы: степень развития информационных технологий, силовой электроники, альтернативных источников электроэнергии и т. д. Определяющее влияние на внедрение концепции Smart Grid в нашей стране будет оказывать и технологический разрыв между состоянием отечественной и зарубежной энергосистем.
    По-видимому, на сегодняшний день можно говорить лишь о точечной реализации в российской электроэнергетике отдельных компонентов концепции Smart Grid. Дальнейшие шаги в этом направлении следует, по нашему мнению, рассматривать в двух аспектах:
  • в долгосрочной перспективе — проведение комплекса работ, формирующего идеологию развития электроэнергетики России с учетом подходов и принципов концепции Smart Grid. Результат — появление стратегического видения перспектив отрасли, «дорожной карты» построения инновационного технологического базиса, механизмов стимулирования новых разработок и внедрения передовых технологий, скоординированных программ модернизации и ресурсного обеспечения инноваций;
  • в краткосрочной перспективе — создание системы технологического мониторинга как информационной базы для анализа данных и генерации соответствующих решений; применение результатов отечественных и зарубежных исследований на практике; точечное внедрение отдельных элементов концепции Smart Grid с целью организации ее будущей технологической основы в нашей стране; привлечение имеющегося потенциала в тех сферах, где компетенции России оказываются уникальными и конкурентоспособными.
    В качестве одного из приоритетных направлений технологического развития в русле концепции Smart Grid можно назвать разработку smart-систем измерений. Этот элемент технологического базиса во всех странах является основополагающим и первоочередным шагом реализации Smart Grid. В наших условиях — с учетом положений нового Закона «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности» — данный ИТ-сегмент приобретает еще бoльшую значимость. В связи с чем принятая в России идеология АСКУЭ, возможности этой системы и технические средства требуют соответствующей переориентации на управление спросом. Необходимо также создание новых методов и технологий прогнозирования (Advanced Forecasting), включая формирование функционала «активного потребителя» (Demand Response).
    Другое направление связано с разработкой систем управления активами. Процесс в таких системах основан на данных диагностики и мониторинга оборудования, что предполагает переход на технологии ремонта и обслуживания по состоянию. Подобные проекты развернуты в настоящее время в ряде отечественных энергокомпаний.
    В целом здесь может быть рекомендовано осуществление конкретных пилотных проектов с последующим обобщением и тиражированием результатов. Это направление способно развиваться параллельно с внедрением элементов концепции Smart Grid при условии адаптируемости вышеупомянутых систем к работе в новой сети.
    Анализ концептуальных положений Smart Grid показывает, что круг решаемых вопросов охватывает различные уровни модернизации не только отрасли, но и общества в целом. Создание инновационных технологий, необходимых для воплощения новой концепции, подразумевает организацию и проведение серьезных научных исследований в энергетике, в сферах ИТ, усовершенствованных материалов и компонентов, подготовки кадров соответствующей квалификации, а также развития отечественной производственной базы в смежных секторах экономики — в первую очередь электротехники, микроэлектроники, программного обеспечения. Таким образом, концепция Smart Grid вполне может рассматриваться в качестве проблемно-ориентируемой технологической платформы (как это сделано, например, в ЕС) для реализации инновационной стратегии в нашей стране.