Умные сети: что? где? когда?

Что такое Smart Grid, где применяется и когда появится в Казахстане

Термин Smart Grid у многих на слуху, но зачастую в это словосочетание вкладывается различный смысл, поэтому давайте для начала определим, что такое “умные сети”.

Согласно Energy Atlas, Smart Grid – это электрическая сеть, которая включает в себя интеллектуальные счетчики, интеллектуальные приборы, работающие в оптимальное время, успешно интегрированные в сеть возобновляемые источники энергии и другие меры по эффективному использованию энергии. Цифровизация позволяет повышать гибкость в производстве, распределении и ценообразовании электроэнергии. Умные сети лежат в основе энергетической модернизации, требуя фундаментальной перестройки системы электроснабжения.

Впервые термин Smart grid был применен в 2003 году Майклом Барром в его публикации “Требования надежности стимулируют инвестиции в автоматизацию”. И хотя определения “умных сетей” разнятся, международные стандарты опираются на ряд признаков и атрибутов Smart Grid.

Таким образом, Smart Grid в отличие от традиционной системы централизованной передачи электроэнергии может самостоятельно отслеживать и распределять потоки электричества, а применение новейших цифровых технологий позволяет оборудованию в рамках Smart Grid автономно взаимодействовать друг с другом, что позволяет функционировать единой интеллектуальной энергетической системе. Собранная с оборудования информация анализируется искусственным интеллектом, и результаты этого анализа помогают оптимизировать использование электроэнергии, снизить затраты, увеличить надежность и эффективность энергосистем.

Умные сети позволяют непрерывно управлять балансом спроса и предложения электроэнергии, для чего элементы сети постоянно обмениваются информацией о режиме потребления и генерации, а также имеют возможность предсказывать планируемое потребление с целью настройки оптимальной работы сети. Кроме того, Smart Grid умеет эффективно защищаться и самовосстанавливаться от крупных сбоев, природных катаклизмов, внешних угроз.

Сравнение традиционной сети и SmartGrid (EnergyAtlas, 2018).

Слева изображена традиционная сеть:

несколько крупных генерирующих предприятий;
централизованная преимущественно национальная электрическая сеть, крупные линии электропередач;
электроэнергия передается в одном направлении от генерации до потребителя;
потребитель пассивен, только производит оплату за электроэнергию.

Справа изображена умная сеть:

множество производителей энергии, в т.ч. ВИЭ;
сеть децентрализована, может охватывать несколько государств;
передача электроэнергии в небольших масштабах, а также частичная компенсация поставок за счет накопителей энергии;
передача электроэнергии в обоих направлениях;
потребитель активно участвует в системе, не только потребляет, но и поставляет излишнюю энергию.

Мощным катализатором развития Smart Grid стало применение возобновляемых источников энергии, которые вносят непредсказуемость в энергосистему из-за непостоянства выработки энергии (как по мощности, так и по времени), что вызывало значительные сложности в регулировании мощности электрической сети и ее перетоков.

Эффектом от внедрения умных сетей является не только снижение выбросов парниковых газов, уменьшение дефицита электроэнергии за счет успешной интеграции возобновляемых источников энергии, но также и изменение роли потребителя, который получает возможность продавать системе избыточную электроэнергию, генерируемую локальными источниками (ветрогенераторы, солнечные панели и т.д.). А самым главным экономическим эффективном от внедрения умных сетей является снижение потребности в дополнительной мощности, а значит при постоянно растущем спросе на электроэнергию нет необходимости строить дополнительные линии и электростанции.

Smart Grid предполагает повышенную надежность системы за счет ее децентрализации. Сеть противостоит как физическим воздействиям, так и информационным атакам без тотальных отключений всей системы и высоких затрат на восстановительные работы. С точки зрения кибербезопасности предпринимаются дополнительные меры для снижения уязвимости системы.

В целом, согласно прогнозам аналитиков, цифровизация электроэнергетического сектора будет происходить через несколько последовательных этапов как со стороны спроса, так и со стороны предложения

Потенциальные этапы цифровизации электроэнергетиеского сектора, Accenture 2016

Согласно отчету Mission Innivation по инновациям в Smart Grid за 2019 год, не менее 30 стран мира в развитии своих энергетических систем делают упор на возобновляемые источники энергии и уже сейчас эти страны более 20% электроэнергии получают за счет ВИЭ. Кроме того, несколько

стран поставили перед собой амбициозную цель достичь 100% возобновляемых источников энергии из централизованных и распределенных источников в будущем. Эта цель достижима технически и с экономической точки зрения, при условии, что будет принят эффективный новый подход к управлению сетью, в полной мере используемый технологии Smart Grid. Упоминаемый отчет Mission Innovation подробно описывает кейсы развития умных сетей в 15 наиболее продвинутых в этом направлении странах.

Начиная с 2000, умные сети постепенно развиваются в различных странах, и уже к 2010 году топ-10 стран по развитию Smart Grid инвестировали в общей сложности более 18 млрд долларов США в цифровизацию электрической системы

Инвестиции в Smart Grid продолжают набирать обороты. Только в 2019 году совокупные инвестиции в инфраструктуру умных сетей составили по данным Международного энергетического агентства (IEA) 19 млрд долларов США – это в дополнение к $21 млрд инвестиций в умные счетчики и $6 млрд - в зарядные устройства для электромашин.

Smart Grid требует значительных инвестиций, но как и предсказывал Майкл Барр, придумавший этот термин, это оправдано требованиями надежности сети. Итальянская компания Enel является ярким примером того, как цифровизация может повысить операционную эффективность и улучшить качество обслуживания для владельца или оператора сети. Всего за десять лет Enel снизила индекс средней продолжительности отключения системы (SAIDI, показатель качества сети) на 65%. В настоящее время Enel тратит почти треть своего инвестиционного бюджета на цифровые технологии.

Система Smart Grid моделируется на небольших пилотных проектах, прежде чем применяться в масштабах целого государства. К примеру, в Балтийском море на острове в 90 км от берегов Швеции внедрен такой пилот, в рамках которого 3000 домов и порядка 30 предприятий подключены с умной сети, использующей не только традиционные источники энергии, но и ветряные и солнечные источники энергии общей мощностью более 170 МВт.

Умные сети на острове Готланд, Швеция

Швеция поставила перед собой амбициозную цель довести выбросы углекислого газа до 0 к 2045 году согласно обязательствам Парижского соглашения. Для достижения этой цели необходимо значительно увеличить производство возобновляемой энергии, львиная доля которой приходится на энергию ветра, генерируемую вдали от распределительной сети.

В этой связи задачами пилотного проекта является:

• Показать, что новая технология может улучшить качество электроэнергии в сельской сети с большим количеством установленной энергии ветра.

• Создать возможности для участия потребителей на рынке электроэнергии, чтобы перенести нагрузку с часов пиковой нагрузки на часы пиковой производительности.

• Экономически эффективно увеличить мощность ветроэнергетики в существующей системе распределения.

Умная сеть в Южной Корее

Сеул возглавил рейтинг умных городов в 2018 году

В 2018 году британский исследовательский центр Juniper Research составил рейтинг городов по степени развитости умных сетей. Этот рейтинг возглавил Сеул, где на тот момент было установлено более 160 тыс. домашних солнечных панелей, а к 2022 году планируются установить солнечные панели на всех общественных зданиях и охватить более 1 млн. частных домов. Умная сеть позволяет эффективно управлять этой системой.

К 2021 году в Южной Корее установят умные счетчики во всех домохозяйствах, а в 2030 — оборудуют умными системами электросети по всей стране. К этому времени правительство страны привлечет около 30% всех граждан на рынке электроэнергии, предоставляя им выбор тарифов и позволяя продавать энергию в сеть.

Южная Корея начала развивать технологии Smart Grid одной из первых в мире. Еще в 2009 году корейское правительство запустило пилотную программу стоимостью 65 миллионов долларов на острове Чеджу с населением более полумиллиона жителей. Система включала в себя 6000 домашних хозяйств, а также ветровые установки и четыре распределительных линии.

В частности, в домах жителей установили не только умные счетчики, но и умные коммутаторы, которые отслеживают энергопотребление каждого устройства, смарт-коробки для управления работой бытовой техники. В сочетании с датчиками температуры и влажности, эти устройства используются для мониторинга и контроля потребления энергии в режиме реального времени. Владельцы пересматривают свои данные на гаджетах и сравнивают их с соседними домами. Исследователи изучают привычки потребителей для того, чтобы максимально подстраиваться под их нужды.

Корея планирует сократить общее потребление энергии на 3% и сократить общее потребление электрической энергии на 10% до 2030 г. Кроме того, правительство планирует сократить выбросы парниковых газов на 41 млн тонн к этому времени. Правительство объявило, что оно будет осуществлять общенациональную реализацию Smart Grid к 2030 году.

Правительство Кореи продвигает амбициозный план повсеместного развития умных сетей и готово инвестировать порядка 40 млрд долларов США в ближайшие 5 лет для реализации этого плана.

В Казахстане элементы умной сети внедряет АО «KEGOC» — системный оператор единой электроэнергетической системы Казахстана (ЕЭС) и национальная электрическая сеть (НЭС).

Компания нацелена на построение активно-адаптивной сети, которая должна стать основой интеллектуальной энергосистемы Казахстана. Уже сейчас в компании внедрены элементы интеллектуальной энергосистемы с применением технологии активно-адаптивного управления, в частности это микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики, системы мониторинга и управления подстанциями, система диспетчерского управления и сбора данных SCADA, автоматизированная система контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ), управляемые шунтирующие реакторы 500кВ, фазоповоротный трансформатор, современная телекоммуникационная инфраструктура выполненная на основе волоконно-оптических линий связи и оборудования обеспечивающего высокую гибкость решений в построении телекоммуникационной сети.

Для моделирования энергосистемы Казахстана, расчета и анализа установившихся режимов (статические модели) и электромеханических переходных процессов (динамические модели) с учетом существующего и запланированного ввода ВИЭ, планирования передачи электроэнергии с учетом интеграции ВИЭ в энергосистему Казахстана, идентификации «узких мест» энергосистемы, в АО «KEGOC» внедрен программный продукт Power Factory. Помимо функций по анализу установившихся режимов, надежности, аварийных режимов, устойчивости, оценки качества электроэнергии, частотному анализу, оптимизации режимов и прочих, имеется функционал по технико-экономическому анализу модернизации/развития сетей. Результаты моделирования используются при проектировании, анализе и оптимизации работы энергосистем и электрооборудования.

В рамках дальнейшей интеллектуализации электрической сети АО «KEGOC» реализует ряд проектов по внедрению централизованной системы противоаварийной автоматики (ЦСПА), внедрению системы автоматического регулирования частоты и мощности (АРЧМ), а также внедрению системы мониторинга и управления на основе синхрофазорных технологий WAMS/WACS.

Внедрение новых технологий Smart Grid позволяют в режиме реального времени максимально использовать пропускную способность национальной электрической сети, устраняет необходимость выполнения огромного количества вариантных расчетов для выбора противоаварийного управления, минимизировать объем управляющих воздействий противоаварийной автоматики на отключение потребителей и генерации, а также максимально эффективно использовать имеющиеся ресурсы маневренной генерации, обеспечить качество электроэнергии и надежность работы электростанций Казахстана. Учитывая, что к 2050 году Казахстан планирует 50% электроэнергии извлекать из возобновляемых источников энергии, внедрение технологии умных сетей позволит успешно интегрировать ВИЭ в национальную электрическую сеть, повысит надежность электроэнергетической системы Казахстана, а также снизит операционные и капитальные затраты на ее обслуживание и развитие.

Подробнее о развитии Smart Grid в Казахстане через реализацию вышеуказанных проектов мы расскажем в следующих выпусках Real Digital.

ИСТОЧНИКИ