Преимущества объединения электрических станций в энергосистему

Энергетическая система — это группа электрических станции, связанных электрическими сетями между собой и с потребителями электрической энергии. В состав системы входят, таким образом, станции подстанции, распределительные пункты и электрические сети разных напряжений.

В начальный период развития электроэнергетики электрические станции работали изолированно одна от другой: каждая станция работала на свою электрическую сеть, снабжала свою ограниченную группу потребителей. Однако уже в начале XX века станции стали объединять в общую сеть.

Первая энергосистема в России — Московская — была создана в 1914 г. после соединения станции «Электропередача» (в настоящее время ГРЭС-3, Электрогорская ГРЭС) с электростанцией Москвы линией протяженностью 70 км.

Толчком для развития связей между станциями и создания энергетических систем спал план ГОЭЛРО. С этого времени развитие электроэнергетики шло в основном по линии создания новых и роста существующих энергетических систем, а затем соединения их между собой в большие объединения.

Объединение станций для параллельной работы в системах имеет следующие преимущества:

возможность полноценного использования гидроэнергетических ресурсов. Расходы воды в реках широко колеблются как в течение года (сезонные колебания, ливневые пики), так и из года в год. При изолированной работе гидростанции, учитывая необходимость обеспечить бесперебойность снабжения потребителей, мощность ее пришлось бы выбирать по расходу очень малому, в достаточной степени обеспеченному. При этом при больших расходах значительная часть воды сбрасывалась бы мимо турбин и общий коэффициент использования ресурсов водотока был бы низким;

возможность обеспечить работу всех станций в экономически выгодных режимах. График нагрузки станций заметно колеблется в пределах суток (дневные и вечерние пики, ночные провалы) и в течение года (обычно максимум зимой, минимум летом). При изолированной работе станции ее агрегатам неизбежно пришлось бы длительное время работать в экономически невыгодных режимах: при малых нагрузках и с низкими к.п.д. В системе предусмотрены остановка части агрегатов при уменьшении нагрузки и распределение нагрузки между остальными агрегатами;

возможность повышения единичных мощностей тепловых станций и их агрегатов, уменьшение необходимых резервных мощностей. На изолированных электростанциях мощность агрегатов в значительной мере лимитируется экономичной мощностью резерва. При создании электроэнергетической системы практически снимается ограничение единичной мощности агрегата и мощности тепловых электростанций, следовательно, электроэнергетическая система позволяет строить сверхмощные тепловые электростанции, являющиеся при прочих равных условиях наиболее экономичными.

уменьшение суммарной установленной мощности всех станций системы или объединения систем и тем самым заметное уменьшение необходимых капиталовложений. Максимумы графиков нагрузки отдельных станций не совпадают во времени, поэтому общий максимум нагрузки системы будет меньше арифметической суммы максимумов станций. Это расхождение будет особенно заметным при объединении систем, расположенных в разных часовых поясах;

повышение надежности и бесперебойности электроснабжения. Современные энергетические системы обеспечивают надежность электроснабжения, недостижимую при изолированной работе станции;

обеспечение высокого качества электроэнергии, характеризуемого степенью неизменности напряжения и частоты тока.

Энергосистемы и их объединения оказывают решающее влияние на все стороны развития электроэнергетического хозяйства, в особенности на размещение электростанций, что в частности, позволяет размещать электростанции у источников энергетических и водных ресурсов.

При эксплуатации энергетических систем возникает ряд важных и сложных технических задач. Для оперативного решения их эти системы имеют диспетчерские службы, снабженные аппаратурой, позволяющей непрерывно следить за режимами работы системы.

Источник

Села батарейка: что происходит на рынке сохранения энергии

В традиционной энергетике (ТЭС, АЭС, ГЭС) самой важной составляющей систем была турбина, которая преобразовывала энергию источника в механическую для ее дальнейшего применения. Однако при развитии возобновляемых ветряной и солнечной энергетики на первый план выходят накопители энергии, которые позволят эффективно сохранять полученную энергию. Автомобили будущего тоже не смогут обходиться без эффективных батарей.

Типы энергетических систем

Для захвата энергии, ее сохранения и дальнейшего использования доступны разнообразные технологии. Самыми распространенными считаются системы аккумулирования электрической и тепловой энергии. Такие системы бывают нескольких типов:

Наибольший темп роста хранения энергии за последнее десятилетие пришелся на электрические системы, такие как батареи и конденсаторы. Конденсаторы — это устройства, которые хранят электрическую энергию в виде заряда, накопленного на металлических пластинах. Когда конденсатор подключен к источнику питания, он накапливает энергию, а при отключении от источника высвобождает ее. Батарея же для хранения энергии использует электрохимические процессы. Конденсаторы могут высвобождать накопленную энергию с гораздо большей скоростью, чем батареи, поскольку для химических процессов требуется больше времени.

В системах хранения механической энергии используются базовые идеи физики, которые преобразуют электрическую энергию в кинетическую для хранения и затем преобразуют ее обратно в электрическую для потребления. Такие системы представляют собой большие гидроаккумулирующие плотины, механические маховики и накопители сжатого воздуха.

Накопление тепловой энергии позволяет хранить ее и использовать позже, чтобы сбалансировать потребность в энергии между дневным и ночным временем или при смене сезонов. Чаще всего это резервуары с горячей или холодной водой, либо расплавленными солями, ледяные хранилища и криогенная техника.

Используются обычно при хранении водорода. В них электрическая энергия применяется для выделения водорода из воды посредством электролиза. Затем газ сжимается и хранится для будущего использования в генераторах, работающих на водороде, или в топливных элементах. Этот метод является достаточно энергозатратным. Для конечного использования сохраняется всего 25% энергии.

В разных сферах промышленности и технологий используются различные типы аккумуляторов с отличающимся химических составом. Литий-кобальтовые батареи, более легкие и с высоким напряжением для быстрой зарядки, применяются в смартфонах и прочей бытовой технике. Более выносливые и габаритные литий-титанатные батареи устанавливают в общественном транспорте, в частности, в электробусах. На электростанциях используют малоемкие, но пожаробезопасные литий-фосфатные ячейки.

30-летняя технология

Самыми популярными аккумуляторами энергии по-прежнему остаются литий-ионные. В 2021 году исполнилось 30 лет с момента выхода в продажу первых таких аккумуляторов Sony.

Первые прототипы литий-ионных батарей появились еще в 1980-е годы. Тогда физик Джон Гуденаф предложил использовать в батарейках кобальтат лития. В 2019 году он получил за свою идею нобелевскую премию.

В 2000-х годах с ростом производства электромобилей спрос на батареи резко вырос. Тогда в аккумуляторах начали применять железофосфат, который обеспечивает меньшую емкость, но может работать на более высоких токах и не выделяет кислород при высокой температуре. Все это делает аккумуляторы более безопасными, но не решает всех их проблем.

В чем минусы литий-ионных аккумуляторов

При перегреве батарея может взорваться. Для этого достаточно повреждения ее оболочки. Так произошло со смартфонами серии Samsung Galaxy Note 7, в которых из-за тесноты корпуса оболочка аккумулятора со временем перетиралась, внутрь попадал кислород, и устройство загоралось. Именно это побудило авиакомпании требовать перевозить литий-ионные батареи только в ручной клади.

Охлаждение и перегрев сильно влияют на параметры аккумулятора. Идеальной считается температура среды +20 °C. При любых отклонениях батарея отдает устройству меньший заряд.

В литий-ионных батареях невозможно хранить энергию годами. Литий-ионные ячейки в неактивном состоянии теряют по 3-5% заряда в месяц, то есть, треть заряда в год.

Литий-ионные батареи в неактивном состоянии подвержены старению. Их рекомендуют хранить заряженными до половины емкости.

Эксперименты в отрасли

Химические источники тока основаны на окислительно-восстановительной реакции между элементами. Литий идеально подходит для этой роли: он обеспечивает оптимальное сочетание напряжения, нагрузки тока и энергетической плотности.

Самыми востребованными являются литий-кобальтовые батареи для потребительской мобильной техники. Они имеют напряжение 3,6 В при сохранении высокой энергоемкости, чего достаточно для зарядки смартфонов. Другие виды литиевых батарей имеют меньшее напряжение, и запитать от них современный смартфон невозможно. Если же пытаться объединить батареи в ячейки, чтобы сделать их более мощными, то вырастут габариты.

Производители уже неоднократно пытались представить разработки-альтернативы литий-ионным батареям в смартфонах.

Так, в 2007 году американский стартап Leyden Energy решил использовать новый электролит и кремниевый катод для литий-ионных батареек. Это позволило увеличить устойчивость аккумуляторов к высоким температурам до 300 °C. Но компании так и не удалось создать аккумулятор со стабильными характеристиками — показатели энергоемкости и устойчивости менялись от экземпляра к экземпляру.

Стартап SolidEnergy, в который инвестировала GM, разрабатывает перезаряжаемые литий-металлические батареи. Они обладают удвоенной энергоемкостью по сравнению с литий-кобальтовыми. Но главной проблемой литий-металлических аккумуляторов остается безопасность. Поскольку в их состав входит чистый металлический литий, он действует активнее, чем ионы лития, а это повышает риск возгорания. Компания разработала специальный электролит, снижающий эту опасность. Но в смартфонах и бытовой электронике таких батарей мы пока не увидим.

Toyota работала над серно-магниевыми батареями. Но оказалось, что их невозможно использовать более 50 циклов, так как емкость этих аккумуляторов после этого падает вдвое. Тогда в состав батареи внедрили литий-ионную добавку и довели срок ее службы до 110 циклов. Работы над аккумулятором продолжаются, и пока неясно, получится ли внедрить его в производство.

Компании, которые стремятся предложить аналог литий-ионных батарей, сталкиваются с трудностями.

Главная проблема при создании новых технологий хранения энергии заключается в том, что при улучшении какого-то одного параметра ухудшаются остальные.

Проблемы рынка

В 2021 году цена кобальта выросла на 40% из-за роста спроса со стороны производителей электромобилей. Основные месторождения кобальта находятся в Демократической Республике Конго. Однако в стране постоянно возникают перебои в цепочках поставок, а также зафиксированы случаи использования детского труда, что оттолкнуло многие компании.

Международное энергетическое агентство отмечает, что в 2020 году продажи электромобилей подскочили на 40%, а в первом квартале 2021 года они выросли вдвое по сравнению с аналогичным периодом прошлого года.

Эндрю Миллер, директор по продуктам Benchmark Mineral Intelligence, говорит, что рынок пока наблюдает рост цен на кобальт, но к концу 2021 года может столкнуться с реальным дефицитом предложения.

Существует еще одна проблема, связанная с пандемией коронавируса и ее последствиями. В связи с сохраняющимся дефицитом чипов на глобальном рынке их также недополучают производители электромобилей.

Крупнейшие мировые автопроизводители признали дефицит микрочипов в начале 2021 года. Nissan, Honda и Ford были вынуждены сократить объемы выпускаемых автомобилей и закрыть некоторые свои заводы. Hyundai Motor был вынужден приостановить сборку автомобилей в Южной Корее. Позднее, в апреле, Ford и General Motors начали выпускать электромобили в некомплектном состоянии. Производители пообещали, что добавят нужную электронику в свои авто, когда появится такая возможность.

Гендиректор Tesla Илон Маск связал рост цен в цепочках поставок с удорожанием стоимости электромобилей Model 3 и Model Y. Однако, по его мнению, дефицит микрочипов продлится недолго.

Пути решения

В Китае появляется все больше электромобилей на альтернативных литий-железо-фосфатных аккумуляторах. Они дешевле и менее токсичные, однако имеют меньшую емкость. Их используют Tesla Model 3, китайский автопроизводитель BYD, а скоро начнет внедрять Volkswagen. Но пока на ЛЖФ-аккумуляторы приходится всего 14% рынка, а к 2030 году этот показатель составит от 15% до 20%.

Новая аккумуляторная батарея Tesla 4680 имеет в шесть раз большую мощность, чем предшественники, и в пять раз большую энергоемкость. При этом ее размер составляет всего 46х80 мм. Tesla решила проблему терморегулирования, создав конструкцию цилиндрической формы, и внедрила новые технологии, чтобы сократить путь прохождения энергии внутри конструкции.

Успешный гибрид

Пока ведутся разработки альтернатив литий-ионным аккумуляторам, компании ищут пути более эффективного сохранения энергии. Успешным вариантом использования усовершенствованных литий-ионных батарей стало их встраивание в гибридные энергетические системы.

В промышленной энергетике такие системы получили развитие в 2020-е годы. Они позволяют объединить преимущества нескольких способов аккумулирования и сохранения энергии. Одним из ярких примеров являются аккумуляторные станции Tesla.

Первую такую станцию построила Tesla в Южной Австралии в 2017 году. Строительство заняло всего три месяца. Компания обещала, что при превышении этого срока страна получит батарею бесплатно.

Южная Австралия получает энергию преимущественно из солнечных батарей и ветрогенераторов. Но иногда необходимо задействовать газогенераторы, подключенные к паровым турбинам, и вырабатывать недостающую часть энергии.

Аккумуляторная батарея Tesla накапливает энергию, когда она подается в сеть региона в избытке, а потом отдает ее обратно, когда возникает дефицит. Таким образом, потребность в газогенераторах отпадает.

Кроме того, батарея реагирует на перепады в электросети. Когда произошло внезапное отключение угольной электростанции Loy Yang A 3, станция Tesla среагировала на 4 секунды быстрее, чем резервный генератор частотного контроля и вспомогательных услуг (FCAS) в Квинсленде.

По расчетам чиновников, емкость батареи составляет около 2% от условной емкости всей сети, однако это дает 55% экономии на эксплуатационных расходах.

У системы есть и минусы. Станция включается всего на несколько минут, поэтому неизвестно, сколько циклов заряда выдержат ее батареи, прежде чем их придется заменить.

Тем не менее, в Австралии уже запланировано строительство подобных аккумуляторных систем в Южной Австралии, на Северной территории, в Квинсленде и Новом Южном Уэльсе.

Теперь Tesla собирается подключить гигантскую батарею к электросети Техаса. Компания строит станцию хранения энергии мощностью более 100 МВт в техасском Англтоне.

Батарея сможет обеспечивать энергией около 20 тыс. домов. Детали конструкции пока не разглашаются, а сам проект держится в секрете.

В Нидерландах в 2020 году была введена в эксплуатацию гибридная система накопления энергии из литий-ионных аккумуляторов производства швейцарской компании Leclanché и механических накопителей от голландского разработчика S4 Energy. Литий-ионные батареи имеют мощность 8,8 МВт и емкость 7,12 МВт·ч, они работают вместе с шестью маховиковыми системами KINEXT общей мощностью 3 МВт. Таким образом, объект аккумулирует 1 ГВт энергии, которую использует местный системный оператор TenneT для стабилизации энергосистемы. Маховики позволят продлить срок службы батарей как минимум до 15 лет.

В других странах подобные проекты находятся на стадии разработки и внедрения. Подробнее о них РБК Тренды расскажут в следующем материале.

Перспективы рынка аккумуляторов

Исследователи Европейского патентного ведомства и Международного энергетического агентства в 2020 году проанализировали зарегистрированные с 2000 по 2018 годы патенты на изобретения и разработки в сфере аккумуляторных батарей и накопителей энергии. Они сделали вывод, что за последние десять лет число патентов в сфере хранения электроэнергии росло существенно быстрее других сфер. Выяснилось также, что оно еще в 2011 году превысило число патентов из области батарей для мобильной бытовой электроники меньшей емкости.

Согласно подсчетам авторов работы, пристальное внимание к литий-ионным технологиям привело к тому, что с 2010 года аккумуляторы для электромобилей подешевели почти на 90%, а для стационарных установок в электроэнергетике — на две трети.

Девять из десяти крупнейших обладателей патентов — это азиатские компании. Семь из них во главе с Panasonic и Toyota базируются в Японии, а еще две — Samsung и LG — Electronics в Южной Корее. Единственный представитель другого региона — немецкий концерн Bosch — занял пятое место.

Источник

Цифровая электроэнергетика

Источник

«Кстати, благородные доны, чей это вертолёт позади избы?».
(Братья Стругацкие. «Трудно быть богом»)

Мы привыкли говорить о цифровизации применительно к системам связи, но с развитием информационных технологий этот процесс охватил и многие другие отрасли. Первая индустриальная революция произошла, когда в конце XVIII века ручной труд начали широко заменять машинами. Вторая революция произошла в начале XX века, когда Генри Форд придумал конвейер. В настоящее время мир переживает третью революцию, связанную с цифровизацией, и любое производство будет со временем управляться компьютерными программами, которые могут размещаться где-нибудь в «облаках». Хотя и с опозданием, этот процесс добрался и до электроэнергетики. Когда-то это должно было случиться… Об этом сегодня и предлагаю поговорить.

Текущие проблемы электроэнергетики хорошо известны и в чём-то близки проблемам, с которыми в своё время пришлось столкнуться и в ИКТ-отрасли. К ним относится моральное и физическое старение всего парка работающего оборудования (более 50 % активов сетей единой национальной энергетической сети имеют сверхнормативный срок эксплуатации — более 25 лет, а износ российских электроэнергетических систем по разным данным составляет от 50 до 70 %), преобладание импортных поставок систем управления и автоматизации предыдущего поколения (80 % инвестиций идёт в развитие зарубежных технологий и поставку устаревших решений) и сокращение национальной инвестиционной программы.

Энергетической отрасли жизненно необходима модернизация на базе интеллектуальных систем с целью повышения эффективности и снижения капитальных и операционных затрат. К тому же на трансформаторах, линиях электропередачи и сооружениях много не сэкономишь — согласно законам физики передаваемые мощности требуют соответствующего «железа». Поскольку эксперименты Н. Тесла столетней давности по беспроводной передаче электроэнергии с помощью башни Wondercliff так и не были завершены (хотя интерес к ним в последнее время вновь появился), столь эффектная в области связи «беспроводка» у электроэнергетиков пока не получается.

Немного об электроэнергетике

Электроэнергетические сети в чём-то похожи на сети связи — они имеют магистральные и распределительные участки с различными рабочими напряжениями и структурой «звезда» или «кольцо». В качестве сетевых узлов выступают подстанции, в которых происходит преобразование напряжения передаваемой электроэнергии. Важнейшая особенность любой электроэнергетической системы заключается в том, что производство электроэнергии, её распределение и преобразование в другие виды энергии осуществляются практически в один и тот же момент времени. Другими словами, сегодня электроэнергия практически нигде не аккумулируется (проекты создания сетевые накопителей электроэнергии находятся в разработке), и вся система работает в режиме on-line. Все элементы системы взаимно связаны и взаимодействуют, а энергия, произведённая в системе, всегда равна энергии, в ней же потреблённой. Здесь можно заметить, что в отличие от ИКТ-отрасли, которая прошла огромный путь, чтобы в отличие от почтовой связи иметь возможность иметь всю передаваемую информацию в режиме on-line, электроэнергетика изначально работала в данном режиме, и мечты её специалистов направлены на то, чтобы научить свои сети работать в режиме off-line.

Ещё одна особенность тесно связана с гигантской совокупностью разнообразнейших потребителей в единой сети, что резко повышает актуальность обеспечения надёжности работы энергосистемы и требует создания в энергетических системах достаточного резерва мощности во всех её элементах.

Относительная быстрота протекания переходных процессов, связанных с короткими замыканиями, включениями и отключениями, качаниями, нарушениями устойчивости, требует обязательного применения специальных автоматических устройств. Подобные устройства, часто весьма быстродействующие, должны обеспечить надлежащую корректировку переходных процессов в системе. Правильный выбор и настройка всех этих автоматических устройств, к которым относятся аппараты защиты от перенапряжений, установки релейной защиты, автоматические регуляторы, автоматические выключатели ит. п., немыслимы без учёта работы всей системы как единого целого. Всё это способствует широчайшему внедрению автоматики в энергетических системах и полной автоматизации отдельных электростанций и подстанций. И от этой автоматики (помимо систем связи, разумеется) зависит сегодня благосостояние каждого развитого государства.

Управление

Указанные выше задачи решаются созданием автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП). В её рамках собирается первичная информация по всем параметрам технологических процессов, решаются задачи метрологического обеспечения, выполняются процедуры прямого регулирования и дистанционного управления оборудованием. Данная система является источником информации для верхних уровней управленческой структуры (диспетчерский пункт, центр управления) и во многом определяет эффективность управления всей энергетической системой.

В целом АСУ ТП подстанции интегрирует в себе подсистему релейнозащитной автоматики (РЗА), противо-аварийной автоматики (ПА), автоматизированную информационно-измерительную систему коммерческого учёта электроэнергии (АСКУЭ), регистраторы аварийных событий (РАС), систему мониторинга и диагностики силового оборудования, систему определения места повреждения (ОМП) кабеля, системы сбора и передачи оперативной и неоперативной технологической информации, системы контроля качества электроэнергии, инженерных и вспомогательных систем и др.

Интересно, что технологии, до сих пор массово применявшиеся для мониторинга и управления в электроэнергетике, находились на уровне развития телефонной связи 30-х годов прошлого века: аналоговые каналы с медными проводами от каждого из множества датчиков до целой армии реле и индикаторов. Кроме того, всё это материало- и энергоёмко, что снижает надёжность, затратно и негибко при проектировании, неэффективно при масштабировании и модернизации и, кроме того, требует много персонала при эксплуатации. Остаётся добавить, что электроэнергетика, основанная на устаревших принципах мониторинга и управления, сама по себе может представлять угрозу для государства.

Цифровые идеи

В целом в отличие от ИКТ в электроэнергетике процесс цифровизации находится в начальной стадии. Несмотря на то, что тенденция перехода на цифровые технологии в системах сбора и обработки информации, управления и автоматизации подстанций наметилась ещё более 15 лет назад, первая в мире цифровая подстанция была запущена лишь в 2006 г. Тем не менее, сегодня практически все ведущие компании-производители электроэнергетической отрасли активно работают в данном направлении, учитывая положительный опыт ИКТ-отрасли. Тем более, что телекоммуникации являются основой систем мониторинга и управления в любой другой отрасли экономики. К тому же цифровизация, окончательно победившая в начале XXI веке в ИКТ, подняла на новую высоту не только отрасль связи, но все отрасли, которые сумели этим воспользоваться.

Инновационное развитие электроэнергетики сегодня характеризуется объединением электросетевой и информационной инфраструктур в узлах сети — цифровых подстанциях. Цифровая подстанция (ЦПС) — элемент активно-адаптивной (интеллектуальной) электросети с системой контроля, защиты и управления, основанной на передаче информации в цифровом формате. Технология ЦПС позволяет удешевить строительство подстанций, уменьшить их габариты, повысить надёжность и, в конечном счёте, повысить качество энергоснабжения потребителя, не увеличивая стоимость. Это в свою очередь, даёт повышение помехоустойчивости, сокращение количества оборудования, цепей вторичной коммутации и экономию площадей. ЦПС можно быстрее строить и проще выработать типовые проекты для тиражирования. В настоящее время на планете сотни ЦПС, установленных в Китае, США, Канаде и других странах.

С появлением первых микропроцессорных релейных устройств защиты информация от них стала также интегрироваться и в системы АСУ ТП. Постепенно количество устройств с цифровыми интерфейсами увеличивалось (противоаварийная автоматика, системы мониторинга силового оборудования, системы мониторинга щита постоянного тока и собственных нужд и т. д.). Вся эта информация от устройств нижнего уровня интегрировалась в АСУ ТП по цифровым интерфейсам. Однако, несмотря на повсеместное использование цифровых технологий для построения систем автоматизации, подобные подстанции не являются в полной мере цифровыми, так как вся исходная информация, включая состояния блок-контактов, напряжения и токи, передаётся в виде аналоговых сигналов от распределительного устройства в оперативный пункт управления, где оцифровывается отдельно каждым устройством нижнего уровня (всё это даже увеличивает стоимость подстанции, так как требует установки большого числа АЦП). Например, одно и то же напряжение параллельно подаётся на все устройства нижнего уровня, которые преобразовывают его в цифровой вид и передают в АСУ ТП. На традиционных подстанциях различные подсистемы используют различные коммуникационные стандарты (протоколы) и информационные модели. Для функций защиты, измерения, учёта, контроля качества выполняются индивидуальные системы измерений и информационного взаимодействия, что значительно увеличивает как сложность реализации системы автоматизации на подстанции, так и её стоимость. Ну а если учесть, что исторически информация от всей автоматики шла по отдельным медным кабелям, и таких подстанций было построено многие тысячи, то можно представить себе объём, извините за выражение, «аналогового железа».

Переход к качественно новым системам автоматизации и управления оказался возможен при появлении новых стандартов и технологий ЦПС, к которым, прежде всего, относится специально разработанный стандарт МЭК 61850. В отличие от других, он регламентирует не только вопросы передачи информации между отдельными устройствами, но и вопросы формализации описания схем — подстанций, защиты, автоматики и измерений, конфигурации устройств. В указанном стандарте предусматриваются возможности использования новых цифровых измерительных устройств (в том числе с цифровым оптическим выходом) вместо традиционных аналоговых измерителей (трансформаторов тока и напряжения). К примеру, цифровые измерительные трансформаторы передают мгновенные значения напряжения и токов по протоколу МЭК 61850-9-2 устройствам уровня присоединения. В итоге ИТ позволяют перейти к автоматизированному проектированию ЦПС, управляемых цифровыми интегрированными системами, и здесь будут аналогии с системами управления из ИКТ-отрасли.

Все информационные связи на ЦПС являются цифровыми и образуют единую шину процесса. Это открывает возможности быстрого и прямого обмена информацией между устройствами, что в конечном итоге позволяет отказаться от массы медных кабельных связей, отдельных устройств, а также добиться более компактного их расположения. Итак, главная особенность ЦПС состоит в том, что все её вторичные цепи — это цифровые каналы передачи данных, образующие единую информационную сеть (сеть передачи данных).

Таким образом, основой ЦПС является единая телекоммуникационная инфраструктура, выполненная на базе современных технологий. Основная идея, заложенная в идеологию ЦПС, — осуществлять мониторинг всех процессов как можно ближе к источникам информации, передавать полученные данные во все подсистемы посредством волоконно-оптических линий связи и виртуализировать большинство функций, выполняемых на подстанции. Таким образом, все измерительные устройства становятся источниками информации, а все встроенные интеллектуальные электронные устройства — её потребителями.

В свою очередь, устройства автоматизации превращаются просто в компьютеры со специализированным ПО, а система защиты и управления ЦПС — в набор логических программных модулей с различным функционалом и новым уровнем защищённости. В результате виртуализированная ЦПС размещается на сервере и собирается из программных модулей РЗА, ПА, РАС, АСКУЭ и пр. как большой бутерброд или как матрёшка. Процесс проектирования также переходит и в область компьютерных программ. Общим итогом всей этой деятельности является замена разнофункциональных аналоговых систем единым сервером со специализированным ПО, включающем в себя профильные программные модули. С целью повышения надёжности сервер изготавливается в защищённом исполнении и дублируется для «горячего резерва». Таким образом, считается, что ЦПС позволяет повысить уровень безопасности электроэнергетических объектов, получить существенное снижение металлоёмкости, уменьшить число элементов в системах управления и мониторинга с одновременным повышением эффективности их работы, повысить уровень надёжности и наблюдаемости, а также минимизировать затраты на инжиниринг и наладку.

Что дальше? Дальше будет логичным переход от рынка аппаратных платформ к рынку ПО и к «облачным» решениям. Правда, они должны обладать соответствующей защитой и от «дурака» и от «отнюдь не дурака», поскольку возможные последствия отсутствия такой защиты для единой энергетической системы страны нетрудно себе представить. То есть внедрение ЦПС может представлять своего рода угрозу для государства, но каков век, таковы и угрозы. Можно, к примеру, подключить всю систему управления энергосетями страны к Интернету, а потом героически бороться с угрозами. Вот, к примеру, военные во всём мире уже давно поняли, что подключать всё подряд к Интернету совсем не обязательно. Зато в 2014 году на конференции по информационной безопасности, проходившей в Международном союзе электросвязи (МСЭ) в Женеве довелось слышать, как представитель одной африканской страны хвалился системой управления национальной энергетикой, поставленной одним американским поставщиком, которая может управляться из любой точки мира. Мысленно многие участники конференции пожелали ему успеха.

В настоящее время во всём мире выполнено уже много проектов, связанных с применением стандарта МЭК 61850, показавших преимущества данной технологии. Вместе с тем ряд вопросов ещё требует дополнительных разработок. Это относится к надёжности цифровых систем, к вопросам конфигурирования устройств на уровне подстанции и энергообъединения, к созданию общедоступных инструментальных средств проектирования, ориентированных на разных производителей.

Преимущества

Для сравнения «прошлых» и новых технологий можно привести примерные расчёты для оборудования «традиционной» подстанции и аналогичной по задачам ЦПС. В первом случае потребуется 150 км медного кабеля, 100 шкафов автоматического управления, 900 м2 площади, а общие затраты на оборудование и монтаж — около 400 млн. руб. Второй вариант требует 15 км волоконно-оптического кабеля, три шкафа защиты и управления (двойное резервирование того самого сервера), 150 м2 площади и общие затраты — около 160 млн. руб. Ну а если учесть, что с дистанционным мониторингом и всем прочим в ЦПС может управиться один оператор с планшетным ПК, нетрудно представить и общую выгоду по капитальным и операционных инвестициям. На одном цветном металлоломе можно неплохо заработать.

Снижение эксплуатационных расходов получится и за счёт перевода объектов в разряд «необслуживаемых», а также их унификации и стандартизации. Кроме того, появится способность систем оперативно адаптироваться к изменяющимся условиям, повысить надёжность и безопасность за счёт обеспечения прозрачности используемых алгоритмов. Не менее легко представить и «облако», из которого управляется целая группа ЦПС, а то и вся система энергетики. То есть налицо воистину огромный простор для разработчиков и поставщиков, что, заметим, в целом не является какой-либо новостью для специалистов ИКТ-отрасли.

Немного о проблемах

Разумеется, есть и проблемы. Прежде всего, ещё не утверждены стандарты, по которым должна проектироваться и которым должна соответствовать ЦПС, нет соответствующего метрологического обеспечения, в которое до сих пор заложены «традиционные» аналоговые измерения, нет и соответствующим образом обученного персонала. Нет даже устоявшегося определения ЦПС.

А вот как отнесутся, к примеру, специалисты в области РЗА, инструкции которых воистину «написаны кровью», к тому, что на подстанцию будут иметь доступ «какие-то айтишники»? – Пусть, мол, они разберутся хотя бы с информационной безопасностью в других местах планеты. Очевидно, что «новые айтишники» должны быть соответствующим образом подготовлены или даже переучены из «релейщиков». Проблема в том, удастся ли их переучить, — ведь многим из них уже немало лет. Да что там «релейщики», весь остальной персонал, вплоть до высшего менеджмента, тоже должен «сменить голову» и мыслить новыми цифровыми реалиями. То есть кадровый вопрос при цифровой модернизации электроэнергетики отнюдь не последний.

Сегодня в России активно ведётся работа по развитию технологии ЦПС, запущен ряд пилотных проектов, ведущие российские компании приступили к разработке соответствующих отечественных продуктов и решений. Остаётся пожелать, чтобы руководство отрасли с пониманием отнеслось к этим работам и опиралось на отечественных производителей (в том числе и в области ПО) и подтолкнуло процесс цифровой стандартизации. Но, однако, не одной только ЦПС ограничивается сегодня модернизация электроэнергетики.

Интеллектуальная сеть

Интеллектуальные сети встречаются не только в ИКТ-отрасли. Если создать электросеть, которая собирает информацию от всех потребителей и производителей энергии и на её основе перераспределяет потоки мощности, то можно направить их туда, где дефицит, и накапливать там, где есть избыток. В таком случае каждый потребитель энергии в любой момент может стать её поставщиком. Подобная технология уже разрабатывается и называется SmartGrid, а сети на её основе называются активно-адаптивными сетями (из-за того, что у сети появляются элементы, активно меняющие свои параметры в зависимости от изменяющегося режима потребления). Как мы уже знаем, важнейшим элементом таких сетей являются ЦПС.

SmartGrid предполагает создание саморегулирующейся электроэнергетической системы, которая, обладая всей текущей информацией о состоянии сети и потреблении, будет распределять текущие энергетические ресурсы, полученные как от промышленных производителей, так и от частных пользователей. При этом излишек энергоресурсов будет накапливаться в специальных хранилищах и использоваться в периоды пиковых нагрузок. Иначе говоря, энергетическую систему будущего можно рассматривать как одноранговую сеть, весьма похожую на Интернет, в которой потребители наравне с поставщиками электроэнергии станут активными участниками процесса распределения и потребления электроэнергии. Как и в Интернете, повышение эффективности работы всей системы осуществляется за счёт децентрализации функций генерации и управления потоками электроэнергии и информации в энергетической системе, а также благодаря снижению затрат на организацию системы передачи электроэнергии, оперативного устранения неисправностей и возможности передачи электроэнергии и информации в двух направлениях.

Сегодня концепция SmartGrid рассматривается во многих странах в качестве начала масштабного перехода к возобновляемым источникам энергии (ВИЗ) в лице солнца, ветра и воды, хотя сам подход к этой концепции может несколько отличаться. Повсеместное аккумулирование излишков энергии может стать драйвером роста водородной энергетики и электротранспорта. К примеру, Калифорния намерена к 2020г. генерировать 12000 МВт с помощью ВИЗ на местных электростанциях. По данным Pike Research, к этому времени региональным драйвером SmartGrid станет Китай, а общемировой объём соответствующего рынка составит свыше 70 млрд долларов США. Но, правда, надо ещё уметь создавать такие аккумуляторы и перенаправлять потоки электроэнергии.

Сегодня, как мы все знаем, у нас нет выбора в поставщике электроэнергии несмотря на утверждения отдельных «великих реформаторов» о наличии так называемого рынка электроэнергии. А вот в SmartGrid потребитель имеет возможность оптимизировать график загрузки своих мощностей для минимизации затрат, а также получения дохода от своей персональной электростанции. Так что когда-нибудь в дополнение к планируемым Правительством РФ социальным нормам электропотребления у нас, возможно, появятся и многотарифные счётчики электроэнергии от разных поставщиков.

Однако не всё так просто. Концепция SmartGrid, конечно, красивая, но чтобы реализовать всё вышесказанное, электроэнергетикам потребуется разработка новых технологий по самым разным направлениям, к которым специалисты относят создание интеллектуальных измерительных приборов (SmartMetering), развитие компонентов электрической сети и устройств управления потоками мощности, развитие систем накопления энергии (аккумуляторы, водородное топливо, суперконденсаторы, ГАЭС и т. п.), развитие распределённой энергетики и создание интеллектуальных сетей регулирования спроса.
Кое-что уже появляется буквально на наших глазах. Не так давно учёные Дальневосточного федерального университета и института Автоматики и Процессов управления ДВО РАН создали уникальный метод диагностики высоковольтного оборудования в режиме on-line на основе анализа спектров его собственного электромагнитного излучения. Изобретение обладает рядом несомненных преимуществ перед традиционными методами диагностики. Отсутствует необходимость отключать оборудование, информация о появлении и развитии дефекта немедленно появляется в электромагнитном излучении, нет необходимости разрабатывать специальные приборы для регистрации и обработки информации. И самое важное — дефект фиксируется на самой ранней стадии его появления и развития. Изобретение защищено десятью патентами и не имеет мировых аналогов. Остаётся добавить, что оно так и «просится» в состав ЦПС.

Предстоящая дорога

На сегодняшний день широкому внедрению инноваций в электроэнергетике по обыкновению препятствуют несовершенство законодательства, недостаточное финансирование и настороженное отношение ко всему новому. Вот, к примеру, в Китае законодательно закреплено, что все новые подстанции должны строиться только в виде ЦПС, в США и Европе значительное число подобных объектов уже находится в опытно-промышленной эксплуатации для наработки опыта и перехода к данной технологии. В России такой практики пока нет, но, вроде бы, уже есть «концептуальные мысли». Есть и пилотные проекты ЦПС, которые, кстати, по производимому драматическому эффекту весьма походят на севший посреди деревенских изб вертолёт. Кто-то удивится и пойдёт дальше запрягать телегу, кто-то заинтересуется и подойдёт поближе, а кто-то, перекрестившись, уйдёт обратно в избу и полезет на печь. Ну а надежда, как всегда, на инноваторов.

Автор публикации:
Александр ГОЛЫШКО, системный аналитик ГК «Техносерв»

Источник