1 Анализ принципов построения интеллектуальных электрических сетей
1.1 Цели и задачи применения интеллектуальных электрических сетей
Современная технологическая концепция SmartGrid в переводе на русский означает «интеллектуальные сети», а точнее — «интеллектуальные энергосистемы». По существу, «интеллектуальная энергосистема» — это модификация энергетических систем XX столетия (которые, как правило, «передают» энергию от нескольких электрогенераторов большому количеству пользователей). Она способна более рационально распределять мощности с учетом малейших изменений параметров и условий спроса и предложения и позволяет увязать стоимость и время потребления энергии. Благодаря принципам построения «интеллектуальной сети» система может реагировать на любые колебания в любом из ее звеньев — генерации, распределения и потребления энергии.
Термин Smart Grid до сих пор не имеет стандартизированной интерпретации. Так, в соответствии с объяснением сформулированным Европейской технологической платформой «SmartGrid» подразумевает себя как «электрическая сеть, которая будет удовлетворять будущие потребности по энергоэффективной и экономичной работе энергосистемы за счет скооперированного управления и при помощи современных коммуникаций между элементами энергетической системы, такими как: электрические сети, электрические станциями, аккумулирующие источники и потребителями».
Министерство энергетики США позиционирует SmartGrid как «полностью автоматизированную энергетическую систему, которая обеспечивает двунаправленный поток электроэнергии и информации между электростанциями и устройствами. Используя новейшие технологии, инструменты и методы, SmartGrid наполняет электроэнергетику «знаниями», которые позволяют резко повысить эффективность энергосистемы»
Национальная энергетическая лаборатория определяет SmartGrid как серию организационных изменений, новую модель процессов, ИТ-решения и решения в области автоматизированных систем управления технологическими процессами и диспетчерского управления в электроэнергетике и так далее.
Общую функционально–технологическую идеологию этой концепции, лучше всего отражает определение SmartGrid, сформулированное Институтом инженеров по электротехнике и электронике, как концепцию полностью интегрированной, саморегулирующейся и самовосстанавливающейся энергосистемы, которая имеет топологию сети и включает все источники генерации, сети передачи и распределения и все типы потребителей электроэнергии контролируются в режиме реального времени единой сетью информационных и управляющих устройств и систем.
В разработанной концепции SmartGrid разнообразие требований сводится к группе так называемых ключевых ценностей новой электроэнергетики, сформулированных как:
? доступность – обеспечивать потребителей энергией без ограничений, когда и где они им нужны, и в зависимости от оплаченного качества;
? надежность – способность противостоять физическим и информационным негативным воздействиям без полных сбоев и больших затрат на восстановительные работы, максимально быстрое восстановление (самовосстановление) работоспособности;
? экономичность – оптимизация тарифов на электроэнергию для потребителей и снижение общесистемных затрат;
? эффективность – максимальное повышение эффективности использования всех видов ресурсов, технологий и оборудования при производстве, передаче, распределении и потреблении электроэнергии;
? органичность взаимодействия с окружающей средой - максимально возможное снижение негативных экологических воздействий;
? безопасность – предотвращение ситуаций в электроэнергетике, опасных для людей и окружающей среды.
В Евросоюзе к числу ключевых ценностей отнесены:
? гибкость в реагировании на меняющиеся потребности потребителей и возникающие проблемы с энергоснабжением;
? доступность электроэнергии для потребителей, особенно из возобновляемых источников энергии и высокоэффективной местной генерации с нулевыми выбросами или с низким уровнем выбросов;
? надежность электроснабжения и качество электроэнергии при обеспечении невосприимчивости к опасностям и неопределенностям;
? экономическая эффективность за счет инноваций, надлежащего управления и разумного сочетания конкуренции и регулирования.
Принципиально новым здесь является то, что все выдвигаемые основные требования должны рассматривать как эквивалентные, но степень их приоритетности, уровень и соотношение не являются общими, нормативно зафиксированными для всех, и могут определяться для каждого рассматриваемого субъекта энергетических отношений (энергетическая компания, регион, город, домохозяйство) по существу индивидуально. В такой постановке задача развития энергетики из преимущественно балансовой (продуктовой), заключающейся, в основном в обеспечении баланса производства и потребления энергии и предоставлении потребителю регламентированного спектра услуг с заданными характеристиками, трансформируется в задачу создания, развития и предоставления потребителю и обществу в целом, своего рода, «меню» энергетических возможностей (услуг). Реализация вышеизложенных ключевых требований (ценностей) в концепции SmartGrid основывается на следующих базовых подходах:
Ориентация на требования заинтересованных сторон и клиентоориентированность. Развитие и принятие решений по развитию и функционированию электроэнергетической отрасли происходит, как уже упоминалось, на основе взвешивания потребностей всех заинтересованных сторон с учетом ожидаемых от них выгод и затрат, в результате чего потребителю отводится ключевая роль активного участника и лица, принимающего решения, поскольку он самостоятельно формирует свои требования к количеству потребляемой энергии, качеству и типу своих потребительских свойств и энергетических услуг. Таким образом, концепция SmartGrid требует перехода к активному потребителю - по сути, потребитель становится, с одной стороны, активным субъектом в разработке и принятии решений о развитии и эксплуатации энергосистемы, а с другой стороны, становится объектом управления,
Возрастание роли технологического управления как основной фактор развития и возможность обеспечения сформированных требований (ценностей) с соответствующим повышением управляемости как отдельных элементов, так и всей энергосистемы. Растущая роль управления технологиями рассматривается как альтернатива обеспечению требований и функций в электроэнергетике за счет увеличения мощностей и подключений (сетей), при этом развитие происходит не столько за счет улучшения ее традиционных физических, энергетических и технологических свойств. , но посредством широкой (глубокой) адаптации, использования и внедрения в энергетике решений и инноваций, в том числе из других отраслей, особенно информационных, коммуникационных и компьютерных технологий. Следует отметить, что именно такой подход был положен в отечественной энергетике в основу решения проблемы повышения надежности (устойчивости) Единой энергетической системы и создания, уникальных до настоящего времени систем противоаварийного управления во второй половине XX века.
Информация служит основным средством обеспечения эффективного управления. Следует подчеркнуть, что менеджмент и информационные связи становятся системообразующим фактором, обеспечивающим переход к новому качеству: от энергетической к энергоинформационной системе. Инфраструктура энергоинформационной системы является основой для комплексного управления всей энергетической системой на базе концепции SmartGrid, включая технологическую интеграцию электрических и информационных сетей.
В рамках концепции SmartGrid для достижения ключевых требований (ценностей) предполагается развитие следующих функциональных свойств:
? самовосстановление при аварийных возмущениях: энергосистема и ее элементы должны постоянно поддерживать свое техническое состояние на уровне, обеспечивающим требуемые надежность и качество энергоснабжения, путем идентификации, анализа и перехода от управления по факту возмущения к предупреждению аварийного повреждения;
? мотивация активного поведения конечного потребителя;
? обеспечение возможности самостоятельного изменения потребителями объема и функциональных свойств (уровня надежности, качества) получаемой энергии на основании баланса своих потребностей и возможностей энергосистемы с использованием информации о характеристиках цен, объемов поставок энергии, надежности, качестве и другие.
?
1.2 Нормативное регулирование интеллектуальных электрический сетей
Для того чтобы оценить объем предстоящей работы по созданию законодательной, нормативно-правовой и нормативно-технической документации, необходимо обратиться к имеющемуся опыту зарубежных стран. Доступными оказались лишь самые общие сведения о создании законодательной базы интеллектуальной системы США и Китая. Механически копировать наработанные зарубежные стандарты не представляется возможным, поскольку: во-первых, понимание «интеллектуальных систем» в России и за рубежом неоднозначно, и во-вторых, российская энергосистема, расположенная на самой большой в мире территории и являющаяся одной из крупнейших по электропотреблению, имеет свою специфику.
По данным Национального института по стандартам и технологиям, для интеллектуальной системы необходимы переработка и создание сотни стандартов, спецификаций и требований. На сегодня уже установлено 75 существующих стандартов, спецификаций и руководств, регламентирующих функционирование интеллектуальной системы, которые подлежат немедленному пересмотру и применению. Однако это лишь небольшая группа из множества стандартов, которые, по предложению, необходимо переработать для построения безопасной и надежной интеллектуальной системы. По предварительным подсчетам, необходимо разработать 70 новых стандартов. Из них 15 подлежат немедленной разработке, поскольку им надлежит регламентировать приоритетные области интеллектуальной системы. Целесообразность разработки других стандартов только обсуждается.
Национальный институт по стандартам и технологиям исходит из двух основных принципов построения системы стандартов, спецификаций и руководств: первоочередность создания стандартов по функциональной совместимости, ставящих во главу угла взаимоувязанность и взаимообусловленность основных составляющих интеллектуальной системы; открытость обсуждения проектов стандартов и предложений и замечаний к ним; ориентация на применение созданных стандартов в международном масштабе.
Исходя из конечного списка основных составляющих интеллектуальной системы (генерация, передача, распределение, рынки, операции, сервисный провайдер и клиент) приоритетными областями, подлежащими стандартизации, названы следующие:
– широкозонная ситуационная осведомленность,
– реакция спроса и энергоэффективность для клиентов,
– аккумулирование электроэнергии,
– киберзащищенность,
– сетевая система связи,
– усовершенствование инфраструктуры измерения энергопотребления,
– управление сетью распределения электроэнергии.
Ниже приводится краткая характеристика приоритетных областей.
Широкозонная ситуационная осведомленность: контроль и отражение элементов энергосистемы и рабочих характеристик на взаимных подключениях и в крупных географических зонах (почти в реальном времени). Целями ситуационной осведомленности являются понимание и в конечном итоге оптимизация управления элементами энергосети, режимом работы и рабочей характеристикой, а также предотвращение нарушений в сети и реакция на возникающие проблемы до возможного появления нарушений в сети.
Реакция на стороне спроса и энергоэффективность для клиента:механизмы и стимулы для энергокомпаний, бизнеса, клиентов в промышленном и жилом секторе по снижению использования энергии в периоды пикового спроса или при риске для надежности энергопоставки. Реакция на стороне спроса необходима для оптимизации достижения баланса энергопоставки и спроса.
Аккумулирование электроэнергии: средства хранения энергии. Значительной крупной технологией хранения энергии в настоящее время является использование технологии ГАЭС. Новые технологии хранения, в частности, «распределенное хранение», выгодны для всей сети, от генерации до конечного использования.
Киберзащищенность: средства, которые обеспечивают конфиденциальность, целостность и рабочую готовность электронных информационных систем связи и систем управления, необходимых для управления, работы и защиты интеллектуальной системы, инфраструктур информационной технологии и телесвязи.
Сетевые системы связи:домены и субдомены (основные составляющие) интеллектуальной системы будут использовать проводные и беспроводные сети связи (в том числе частные). При таком разнообразии сетей идентификация исходных параметров различных программ-агентов и доменов интеллектуальной системы весьма затруднительна.
Усовершенствованная измерительная структура разрабатывается как инструмент ценообразования на потребление электроэнергии в жилом секторе. Она состоит из аппаратной части, программного обеспечения системы связи и программного обеспечения управления данными и системой. Структура устанавливает связь усовершенствованных измерительных устройств с бизнес-системами энергокомпаний, обеспечивая обмен информацией между клиентами, поставщиками электроэнергии, другими энергокомпаниями. Клиенты информируются о ценах на электроэнергию в режиме реального времени (или почти реального времени). Энергокомпании получают широкие возможности для снижения пиковых нагрузок электропотребления.
Управление распределительной сетью предполагает контроль рабочих характеристик фидеров, трансформаторов и других элементов системы распределения и взаимоувязанность эффективности систем передачи и запросов клиентов. Автоматизация распределительных систем становится первоочередной задачей по обеспечению эффективной и надежной эксплуатации всей энергосистемы. К ожидаемым выгодам управления распределительной сетью относятся повышенная надежность, снижение пиковых нагрузок и более эффективное управление распределенными источниками возобновляемой энергии.
Существующая Единая энергетическая система и будущая интеллектуальная энергетическая сеть, имеют технологические, экономические, экологические и другие отличия, поэтому для создания и функционирования интеллектуальной энергетической сети необходима качественно новая законодательная, нормативно-правовая и нормативно-техническая база, для создания которой потребуются значительные финансовые ресурсы и время.
На начальном этапе действующая отечественная законодательная, нормативно-правовая и нормативно-техническая база с минимальными изменениями может быть применима к создаваемой интеллектуальной энергетической сети. К моменту реализации интеллектуальной энергетической сети в полном технологическом объеме законодательная, нормативно-правовая и нормативно-техническая база должна быть не только разработана, но и утверждена.
Предложенное видение законодательной и нормативно-правовой базы является лишь инструментом для разработки последующих документов, регулирующих функционирование интеллектуальной энергетической сети.
Работа по ее созданию на начальном этапе предполагает определение перечня действующих документов, в которые необходимо внести изменения и уточнения для того, чтобы они могли быть применимы при переходе к интеллектуальной энергетической сети. Необходимо также определить основные направления и предметные области интеллектуальной энергетической сети, для которых потребуется разработка новых законодательных и нормативно-технических документов, а также наметить приоритетные направления и предметные области интеллектуальной энергетической сети и документы, которые их регулируют и которые должны разрабатываться в первую очередь.
На данном этапе достаточно сложно предугадать динамику развития законодательной, нормативно-правовой и нормативно-технической базы интеллектуальной энергетической сети. Для этого необходимо сформировать базу действующих нормативных документов.
На данный момент в базе представлено 1782 документа, относящиеся к проектированию атомных электростанций, и 1136 документов – к проектированию электроэнергетических сетей.
Проведенный специалистами института экспертный анализ показал, что для перехода к интеллектуальным электрическим сетям необходимо уточнить или переработать 12% документов, относящихся к проектированию электроэнергетических сетей, и 6% документов – к проектированию атомных электростанций. Таким образом, в процентном отношении количество документов, подлежащих уточнению и корректировке, незначительно в отличие от числа документов, которые пересматриваются за рубежом, например, в США и Китае. Однако общий объем требующих пересмотра документов достаточно велик.
Общий объем документов, регулирующих проектную, строительную, эксплуатационную, экономическую области электроэнергетики и подлежащих пересмотру на предмет применимости к интеллектуальным электрическим сетям, по экспертным оценкам, составит порядка 500-700 наименований.
Ниже приводятся предложения по уточнению существующей законодательной и нормативно-правовой базы с целью ее применимости для интеллектуальных электрических сетей.
Нуждаются в обосновании понятия «интеллектуальная электроэнергетическая система с активно-адаптивной сетью», «объекты и субъекты интеллектуальных электрических сетей.
Особенно тщательной проработки требуют положения ФЗ «Об электроэнергетике» о широком использовании в интеллектуальных электрических сетей нетрадиционной и распределенной генерации и, как следствие, о необходимом учете автоматизации управления режимами, о возможности выбора потребителем интеллектуальных электрических сетей тарифа на основе тарифной сетки, зависимой от требований к надежности. В законе должны быть представлены классификация видов потребителей, их основные характеристики; положение о гибкости потребления и возможности ограничения электроснабжения; положение об определении механизмов установления ценовых диапазонов.
Становление и развитие интеллектуальных электрических сетей предполагает формирование качественно новых отношений между субъектами электроэнергетического рынка, в частности между производителями и поставщиками электроэнергии, с одной стороны, и потребителями электроэнергии ? с другой. Для формирования новых отношений между энергосистемой и ее потребителями необходимо установить эффективную двустороннюю связь. Эти положения должны найти отражение на законодательном уровне.
В действующем в настоящее время Федеральном законе «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» прописана государственная поддержка инвестиционной деятельности с применением мер стимулирующего характера, предусмотренных законодательством о налогах и сборах, путем возмещения части затрат на уплату процентов по кредитам, займам на осуществление инвестиционной деятельности. При составлении энергосервисных договоров (контрактов) между потребителями и организациями, осуществляющими мероприятия в области энергосбережения, в соответствии со статьей 19, предусмотрены участие заинтересованной организации в финансировании энергосбережения у потребителей; взаимовыгодное распределение прибыли от экономии энергоресурсов. В соответствии со статьей 25 при установлении тарифов, дифференцированных по времени суток (ТДВ), предполагается дифференциация указанных тарифов по иным критериям, отражающим степень использования энергетических ресурсов. Репрезентативный отбор предприятий обеспечит возможность оценки потенциальных объемов управления спросом в привязке как к территориям СФ, так и сегментам интеллектуальных электрических сетей. Вероятно, такие обследования по договоренности сторон могли бы проводиться в рамках энергетического обследования потребителей.
На законодательном уровне необходимо проработать вопросы привлечения потребителей к управлению спросом на электроэнергию, а также меры, обеспечивающие их заинтересованность в оптимизации процесса энергоснабжения, как в нормальных, так и в экстремальных ситуациях.
В настоящее время, когда субъекты электроэнергетического рынка (органы власти, генерирующие и энергоснабжающие компании, потребители) нередко преследуют различные цели, создание интеллектуальных электрических сетей должно обеспечить в реальном времени оптимальное функционирование единой электроэнергетической системы, одним из звеньев которой являются потребители электрической энергии с соответствующими токоприемниками (как единичные концентрированные, так и крупные промышленные комплексы, распределенные по территории страны) и требованиями к поддержанию заданных условий надежности и показателей качества.
Оснащение потребителей многотарифными приборами учета электрической энергии, позволяющими осуществлять учет используемой электроэнергии, в том числе по времени суток и сезонам, – первая ступень в создании системы УС. Это должно найти отражение в законодательной базе ИЭС ААС.
Разработка механизмов УС базируется на классификации потребителей по принадлежности к крупным видам экономической деятельности выделением массовых и электроемких потребителей, что соответствует представлению статистической отчетности органами Росстата, в том числе и по потреблению электроэнергии. На законодательном уровне должны быть прописаны режимные характеристики, которые определяются особенностями технологических процессов и использованием оборудования. Необходимо учесть, что основной потенциал управления спросом связан с промышленными потребителями (до 50 % суммарного электропотребления по России), населением (12%), а также предприятиями сферы услуг (12%).
Законодателю необходимо учесть, что не существует жестких границ разделения потребителей, что на загрузку оборудования, помимо технологий, влияет множество факторов, как то: колебания спроса на продукцию как на внутреннем, так на внешнем рынке, качество используемых сырья и материалов (добавок, катализаторов), глубина переработки продукции, характеристики используемого оборудования, степень его изношенности, возможность использования альтернативного энергоносителя и др. Поэтому в привязке к территории (крупному потребителю) условия работы предприятий, производящих одинаковую продукцию, могут изменяться.
Законодатель должен уделить особое внимание предприятиям цветной и черной металлургии, химическим, нефтеперерабатывающим, выпускающим основную массу электроемкой продукции.
На законодательном уровне должно быть установлено общее правило, в соответствии с которым привлечение потребителей к управлению спросом на энергоресурсы осуществляется комплексно, наряду с модернизацией и реконструкцией предприятий, использованием инновационных решений, обеспечивающих повышение энергоэффективности производства. При этом механизмы привлечения потребителя в управлении спросом (использование энергоэффективного оборудования и новых технологий, работа предприятия в режиме потребителя-регулятора) базируются на гибкой системе тарифов, предусматривающих поощрительные и штрафные санкции, предоставлении налоговых льгот, доступных условий кредитования. Законодатель исходит из понимания того, что дифференцированные тарифы и другие взаимные льготы, которые влияют на выбор характера потребления, являются наиболее эффективным средством достижения цели при управлении нагрузкой. Управление спросом выявляет нужды и пожелания потребителей, поэтому у энергосистем возникает необходимость более глубокого понимания тех факторов, которые влияют на решения потребителей. Более подробная информация о запросах потребителя ? самое важное условие развития методов и форм управления спросом на электроэнергию.
В действующие законы в части управления спросом должно быть внесено положение о необходимости работы с потребителем по обеспечению его заинтересованности в участии в управлении спросом. Работа с потребителем должна быть вменена в обязанности конкретной структуре, что также необходимо отразить в законодательном документе. Следует указать на необходимость проведения обследования потребителей с учетом специализации регионов, режимов электропотребления и перспектив развития.
На законодательном уровне должно быть прописаны экономические выгоды, выражающиеся в уменьшении капиталовложений, снижении эксплуатационных расходов, экономии топлива, повышении КПД и снижении потерь в системе со стороны потребителя. Управление спросом предоставляет возможность выбора вида услуг и усиливает контроль за расходами на электроэнергию. Общество выиграет от более эффективного использования энергоресурсов. Сбыт энергии ? это деятельность, направленная на удовлетворение нужд и пожеланий потребителя посредством обеспечения его необходимыми услугами, но одновременно учитывающая также и интересы производителя. Центральное положение законодательной нормы в этой части ? взаимовыгодность отношений и потребителей.
В базовых законах об электроэнергетике необходимо привести в соответствие термины «энергосбытовая» и «энергоснабжающая» компания.
